Java对象锁定机制深度探讨：synchronized关键字全解析

# 1. Java并发编程基础

## 1.1 并发编程概述

Java并发编程是构建高响应性和高吞吐量应用的基石。它涉及到多线程或多进程同时执行的任务，以及它们之间的数据共享和协作。理解并发的基础概念对于开发高效、稳定的应用至关重要。

## 1.2 并发与并行的区别

在并发编程的语境中，"并发"和"并行"经常被提及。简而言之，"并发"是指多个任务在逻辑上同时发生，而"并行"则指的是在物理上，同一时刻多个任务真的在同时执行。在单核CPU的计算机上可以实现并发，而在多核CPU的计算机上可以实现并行。

## 1.3 Java中的线程

在Java中，线程是并发执行的基本单元。程序可以通过实现`Runnable`接口或继承`Thread`类来创建线程。`Runnable`接口更适合因为Java不支持类的多重继承，但`Thread`类提供了更多的线程控制选项。

// 实现Runnable接口创建线程
class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 任务代码
    }
}

// 继承Thread类创建线程
class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 任务代码
    }
}

以上代码展示了如何通过两种方式来创建线程。在实际应用中，我们通常使用实现`Runnable`接口的方式。之后章节将会深入探讨Java并发编程中的关键概念和优化技巧。

# 2. synchronized关键字的原理

### 2.1 synchronized的内存语义
#### 2.1.1 对象内存布局
在Java中，每个对象的内存布局可以分为三个主要部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）以及对齐填充（Padding）。对象头中存储了对象的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。这使得synchronized关键字可以利用对象头中的mark word来实现同步操作。

对象头          实例数据          对齐填充
+---------------+-----------------+-----------+
|  Mark Word    |   实例字段值    |  （可选） |
+---------------+-----------------+-----------+

#### 2.1.2 锁膨胀与偏向锁机制
synchronized关键字对应的是重量级锁，它会涉及到操作系统的互斥锁。Java虚拟机（JVM）为了解决锁竞争问题，引入了锁的膨胀机制，包括偏向锁、轻量级锁和重量级锁。

- 偏向锁：偏向锁是一种优化策略，它假设锁在大多数情况下不会发生竞争。当线程第一次访问同步块时，会将线程ID记录在对象头的mark word中，如果后续这个线程再次进入相同的同步块，就不需要进行额外的锁操作。
- 轻量级锁：当有另一个线程尝试获取同一个偏向锁时，偏向状态会被撤销，锁会膨胀为轻量级锁。这时，JVM会在当前线程的栈帧中创建一个锁记录空间（Lock Record），用于存储锁对象的mark word的拷贝。
- 重量级锁：如果轻量级锁的锁竞争进一步加剧，锁会膨胀为重量级锁。此时，锁状态会从用户态转向内核态，JVM会阻塞或唤醒线程，这是一个重量级的操作。

### 2.2 synchronized的使用场景
#### 2.2.1 实例方法同步
当synchronized用于实例方法时，它锁定的是调用该方法的对象。在JVM中，这种同步的实现是基于对象头中的mark word。线程在进入和退出同步块时，会使用monitorenter和monitorexit指令来管理锁的状态。

public synchronized void synchronizedMethod() {
    // 同步方法体
}

#### 2.2.2 静态方法同步
对于静态方法，synchronized锁定的是整个类对象。在JVM层面，使用的是类对象的monitor。这是因为静态方法不属于任何一个实例对象，而属于类本身。

public static synchronized void staticSynchronizedMethod() {
    // 静态同步方法体
}

#### 2.2.3 代码块同步
使用synchronized关键字还可以在代码块中明确指定同步的对象或类。这种方式更加灵活，可以只对指定对象或类的某部分代码加锁。

public void someMethod() {
    Object lockObject = new Object();
    synchronized (lockObject) {
        // 同步代码块
    }
}

### 2.3 synchronized的性能考量
#### 2.3.1 锁的争用与性能
锁的争用程度直接影响性能。在高争用的情况下，过多的线程竞争同一个锁会导致线程上下文切换频繁，这会消耗大量的CPU资源。synchronized关键字作为内置的锁机制，其性能开销包括进入和退出同步块的监控操作，以及在锁膨胀过程中可能发生的线程阻塞和唤醒。

#### 2.3.2 锁优化技术分析
为了提升性能，JVM实现了一系列锁优化技术，比如适应性自旋、锁消除、轻量级锁等。适应性自旋是指让线程在获取锁时，如果锁被占用，就不断循环检查锁是否可用，而不是立即进入阻塞状态。锁消除则是通过逃逸分析来确定一段代码中的对象不可能被其他线程访问，因此可以安全地移除锁操作。

在实际开发中，合理地使用synchronized关键字，并配合JVM提供的锁优化技术，可以有效地提升系统的并发性能。

# 3. ```
# 第三章：synchronized的高级特性

## 3.1 锁升级的过程与机制
### 3.1.1 从偏向锁到轻量级锁
偏向锁是为了减少不必要的锁竞争而设计的一种锁优化策略。当第一个线程访问同步代码块时，它会获取偏向锁，将锁标记在对象头中记录线程ID，后续线程再次进入同一同步代码块时，不需要进行任何锁操作，因为已经记录了偏向的线程ID。

在JVM中，偏向锁的启用是默认的。偏向锁状态的锁会在对象头中设置偏向模式，并记录偏向的线程ID。一旦其他线程尝试获取同一个对象的锁，偏向模式就会被撤销，并且可能升级为轻量级锁或者重量级锁，这取决于竞争的程度。

轻量级锁主要用来在多线程竞争不激烈的情况下减少重量级锁的性能开销。当线程尝试获取轻量级锁时，它首先会在线程栈帧中创建锁记录空间，并通过CAS操作将对象头中的Mark Word复制到锁记录中。如果操作成功，则当前线程就持有该锁，其他尝试获取锁的线程将会被挂起。

在锁释放时，线程会通过CAS操作将锁记录中的Mark Word替换回对象头中，如果替换成功，则表示成功释放锁。如果在释放过程中发现有其他线程竞争该锁，则锁会升级为重量级锁。

代码块和逻辑分析：

synchronized (object) {
    // 同步代码块
}

上面的代码块在第一次执行时，JVM会尝试给该对象加偏向锁。如果对象之前被加了偏向锁，则会检查持有偏向锁的线程是否仍然是当前线程，如果是，则直接进入同步代码块；如果不是，则会撤销偏向锁，并根据情况升级为轻量级锁或者重量级锁。

### 3.1.2 重量级锁的转换条件
重量级锁是synchronized实现依赖的底层锁机制，在JVM内部通过操作系统的互斥量（mutex）来实现。重量级锁的使用通常意味着发生了较为激烈的线程竞争。当锁处于轻量级锁状态时，如果锁竞争激烈，即有多个线程反复尝试获取同一锁，锁就会膨胀，升级为重量级锁。

重量级锁状态下，被阻塞的线程不再自旋等待，而是进入阻塞状态，释放CPU资源，等待被唤醒。这会导致线程上下文切换，开销较大。在重量级锁状态下，锁的拥有者释放锁后，会通过操作系统内核通知等待该锁的线程，然后被唤醒的线程会再次竞争锁。

代码块和逻辑分析：

synchronized (object) {
    // 同步代码块
}

如果多个线程竞争激烈，不断尝试获取锁，JVM会通过CAS操作将锁状态从轻量级锁升级为重量级锁。此时，任何试图获取锁