面试题：Java并发编程中，synchronized锁的实现原理是什么？

Question

请详细阐述Java中synchronized关键字加锁的底层机制，比如在对象头中是如何体现锁状态的，以及锁的升级过程。

Answer 1

Java中synchronized关键字加锁的底层机制

1. 对象头：在HotSpot虚拟机中，对象在内存中的布局分为对象头、实例数据和对齐填充三部分。对象头又包含两部分信息，一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、对象分代年龄等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32bit和64bit，官方称它为“Mark Word”；另一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

2. 锁状态在对象头中的体现：

   • 无锁状态：在无锁状态下，Mark Word的低位存储对象的HashCode、分代年龄、是否偏向锁标志位以及锁标志位。其中锁标志位为01，偏向锁标志位为0。
   • 偏向锁状态：当对象第一次被线程访问时，会在Mark Word中记录当前线程的ID，偏向锁标志位为1，锁标志位依然为01。后续该线程再次访问此对象时，只需要对比Mark Word中的线程ID是否与当前线程ID一致，一致则无需进行额外的同步操作。
   • 轻量级锁状态：当有第二个线程尝试获取偏向锁时，偏向锁会升级为轻量级锁。此时Mark Word中的锁标志位变为00。在轻量级锁状态下，JVM会在当前线程的栈帧中创建一个锁记录（Lock Record），用于存储对象头的Mark Word的拷贝，然后尝试使用CAS操作将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果替换成功，则当前线程获得轻量级锁；如果失败，表示存在竞争，轻量级锁会膨胀为重量级锁。
   • 重量级锁状态：当轻量级锁竞争失败后，锁会升级为重量级锁，此时Mark Word中的锁标志位变为10。重量级锁依赖操作系统的互斥量（Mutex）来实现同步，线程获取锁失败时会进入阻塞状态，等待操作系统的调度。

3. 锁的升级过程：

   • 偏向锁：在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当一个线程访问加了synchronized关键字的代码块时，首先会检查对象头中的偏向锁标志位。如果偏向锁标志位为0（即对象处于无锁状态），且对象头中的线程ID为空，那么当前线程会通过CAS操作将自己的线程ID记录到对象头中，并将偏向锁标志位设置为1，此时对象进入偏向锁状态。如果偏向锁标志位为1，且对象头中的线程ID与当前线程ID一致，那么当前线程可以直接进入同步代码块，无需进行其他同步操作。
   • 轻量级锁：当有第二个线程尝试获取偏向锁时，发现对象头中的线程ID与自己不一致，偏向锁就会升级为轻量级锁。JVM会在当前线程的栈帧中创建一个锁记录（Lock Record），用于存储对象头的Mark Word的拷贝，然后尝试使用CAS操作将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果替换成功，则当前线程获得轻量级锁；如果失败，表示存在竞争，轻量级锁会膨胀为重量级锁。
   • 重量级锁：当轻量级锁竞争失败后，锁会升级为重量级锁。此时，所有竞争锁的线程都会被阻塞，放入一个等待队列中，由操作系统来调度这些线程。重量级锁的开销比较大，因为线程的阻塞和唤醒都需要操作系统的参与，涉及用户态到内核态的切换。

这种锁升级的机制，使得Java在不同的竞争场景下能够选择最合适的锁机制，从而提高程序的性能。在竞争不激烈的情况下，偏向锁和轻量级锁能够减少线程获取锁的开销；而在竞争激烈的情况下，重量级锁虽然开销大，但能保证数据的一致性和线程安全。