synchronized关键字的底层原理

synchronized关键字是Java中用于控制多线程访问共享资源的一种机制，它确保同一时刻只有一个线程可以执行某个方法或代码块。其底层原理主要基于JVM（Java虚拟机）中的Monitor（监视器）机制来实现。以下是synchronized关键字的详细底层原理：

1. Monitor机制

• Monitor（监视器）：是Java虚拟机中的一种内置同步机制，每个Java对象都有一个与之关联的Monitor。Monitor通过内部的一些同步原语（如lock和unlock指令）来实现线程间的互斥访问和协调。
• 锁的获取与释放：当一个线程尝试进入被synchronized修饰的代码块或方法时，它首先需要获取对象的Monitor。如果Monitor已被其他线程持有，则当前线程将被阻塞，直到Monitor变为可用状态。当线程完成执行后，它会释放Monitor，以便其他线程可以获取并继续执行。

2. 锁的升级

• 偏向锁（Biased Locking）：Java 6及以后版本中引入的一种锁优化技术。如果某个对象锁在整个运行过程中只被一个线程持有，那么JVM会将该锁升级为偏向锁，以减少锁获取的开销。偏向锁通过CAS（Compare-And-Swap）操作将线程ID设置到对象的Mark Word中，以表示该对象锁已被当前线程占有。
• 轻量级锁（Lightweight Locking）：当存在多个线程竞争同一个锁时，偏向锁会升级为轻量级锁。轻量级锁通过CAS操作在JVM的栈帧中创建锁记录（Lock Record），并将锁对象的Mark Word指向该锁记录。如果锁记录中的Mark Word与锁对象的Mark Word一致，则当前线程获取锁成功；否则，表示存在锁竞争，可能需要升级到重量级锁。
• 重量级锁（Heavyweight Locking）：当轻量级锁无法满足需求时（如多个线程长时间竞争同一个锁），锁会升级为重量级锁。重量级锁依赖于操作系统层面的互斥量（Mutex）来实现，涉及到用户态和内核态的切换，成本较高。

3. 锁的释放与等待/通知

• 锁的释放：当线程完成synchronized代码块的执行后，它会通过unlock指令释放Monitor，并将Monitor返还给对象池，以便其他线程可以获取。
• 等待/通知：在synchronized代码块中，线程可以通过调用对象的wait()方法进入等待状态，并释放Monitor。其他线程可以通过调用对象的notify()或notifyAll()方法唤醒等待的线程。这些操作都是通过操纵与对象关联的Monitor来实现的。

4. 锁的获取流程

1. 线程尝试获取对象的Monitor。
2. 如果Monitor未被其他线程持有，则当前线程获取Monitor并继续执行。
3. 如果Monitor已被其他线程持有，则当前线程进入阻塞状态，等待Monitor变为可用。
4. 当Monitor变为可用时，当前线程重新尝试获取Monitor。

5. 注意事项

• synchronized关键字是JVM层面的机制，其实现依赖于JVM的具体实现（如HotSpot）。
• 锁的升级和降级是JVM自动进行的，无需开发者手动干预。
• 在使用synchronized时，应尽量避免长时间持有锁，以减少线程阻塞和死锁的风险。

综上所述，synchronized关键字的底层原理主要基于JVM中的Monitor机制，通过锁的获取、释放、升级和降级等机制来实现线程间的同步控制。