synchronized底层加锁原理

synchronized加锁主要是通过对象头和监视器实现的，下面我们具体介绍

1. 对象头

Mark Word：这是对象头的主要部分，用于存储对象的运行时元数据，如对象的哈希码、对象的分代年龄、锁状态标志、偏向锁 ID 等信息。它的长度一般为 32 位或 64 位，具体取决于 Java 虚拟机的运行模式和操作系统的位数。在不同的锁状态下，Mark Word 会存储不同的信息，以支持高效的锁机制。
Class Pointer：即对象指向它的类元数据的指针，通过这个指针，虚拟机可以知道该对象属于哪个类，从而能够在运行时获取对象的类信息，如类的方法、字段等。在 64 位虚拟机中，默认情况下，这个指针占用 64 位空间。不过，为了节省内存，虚拟机可能会开启指针压缩功能，此时 Class Pointer 的长度可能会变为 32 位。
 

• 偏向锁ID：由一个bit存储，1表示偏向锁，0表示非偏向锁
• 锁状态标志：由两个bit存储，01表示无锁，00表示轻量级锁，10表示重量级锁，11表示GC标记

 线程会根据这两个标记判断这个锁对象是否上锁。

2. 监视器（Monitor)

监视器可以理解成一种同步工具，也可以看作是一种锁的实现。在 Java 里，每个 Java 对象都可以关联一个监视器。当一个线程尝试访问被监视器保护的代码块或方法时，它必须先获取该对象的监视器锁。若该监视器已被其他线程持有，那么这个线程就会进入阻塞状态，直至锁被释放。 

监视器主要由三部分构成：

• Owner：此为持有监视器锁的线程。同一时间，仅有一个线程能够成为监视器的 Owner。
• Entry Set：也就是入口集，这里存放着所有尝试获取监视器锁但当前处于阻塞状态的线程。当 Owner 线程释放锁之后，Entry Set 中的线程会竞争获取锁。
• Wait Set：即等待集，这里存放着那些调用了对象的wait()方法之后进入等待状态的线程。当其他线程调用了相同对象的notify()或者notifyAll()方法时，Wait Set 中的线程会被唤醒，之后它们会和 Entry Set 中的线程一起竞争获取锁。 

监视器的工作原理 

• 获取锁：当线程执行到synchronized修饰的方法或者代码块时，线程会尝试获取该对象的监视器锁。若锁处于空闲状态（查看对象头的锁标志，偏向锁id），线程就能获取到锁，然后成为监视器的 Owner，进而执行同步代码。
• 释放锁：当线程执行完同步代码后，会释放持有的监视器锁。若此时 Entry Set 中有等待的线程，这些线程会竞争获取锁。
• 等待和唤醒：当线程在同步代码中调用对象的wait()方法时，线程会释放持有的监视器锁，然后进入该对象的 Wait Set。当其他线程调用相同对象的notify()或者notifyAll()方法时，Wait Set 中的线程会被唤醒，之后它们会和 Entry Set 中的线程一起竞争获取锁。

3. 细节补充 

3.1 获取锁

当线程执行到 synchronized 修饰的方法或者代码块时，线程会尝试获取该对象的监视器锁。这一过程在不同锁状态下具体细节有所不同：

• 无锁状态：无锁状态下，对象头的 Mark Word 存储对象的哈希码、分代年龄等信息。当第一个线程访问同步块并尝试获取锁时，会检查对象头的锁标志位。如果是无锁状态，会通过 CAS（Compare - And - Swap）操作将线程 ID 记录到对象头的 Mark Word 中，同时将锁标志位设置为偏向锁，此时该线程成为监视器的 Owner。
• 偏向锁状态：会检查 Mark Word 中记录的偏向线程 ID 是否是当前线程。如果是，则直接获取锁；如果不是，则需要撤销偏向锁，将对象头恢复到无锁状态或者升级为轻量级锁，再重新竞争锁。
• 轻量级锁状态：线程在进入同步块时，会在当前线程的栈帧中创建一个锁记录（Lock Record），然后通过 CAS 操作尝试将对象头的 Mark Word 复制到锁记录中，并将对象头的 Mark Word 指向锁记录的地址。如果 CAS 操作成功，线程获取到轻量级锁，成为监视器的 Owner；如果失败，表示有其他线程已经持有轻量级锁，当前线程会进行自旋等待，若自旋一定次数后仍未获取到锁，轻量级锁会升级为重量级锁。
• 重量级锁状态：重量级锁依赖于操作系统的互斥量（Mutex）实现。当线程尝试获取重量级锁时，如果锁处于空闲状态，线程可以直接获取；如果锁已被其他线程持有，线程会被阻塞，进入 Entry Set 等待。

3.2 释放锁

当线程执行完同步代码后，会释放持有的监视器锁。释放锁的过程同样与锁状态有关：

• 偏向锁释放：偏向锁在没有竞争的情况下不会主动释放，只有当有其他线程尝试竞争锁时，持有偏向锁的线程才会在安全点（Safe Point）上撤销偏向锁。
• 轻量级锁释放：线程退出同步块时，会使用 CAS 操作将锁记录中的 Mark Word 复制回对象头。如果 CAS 操作成功，说明没有发生锁竞争，轻量级锁释放成功；如果失败，说明在释放锁的过程中发生了锁竞争，轻量级锁已经升级为重量级锁，需要按照重量级锁的方式释放。
• 重量级锁释放：持有重量级锁的线程执行完同步代码后，会释放操作系统的互斥量，唤醒 Entry Set 中等待的线程，这些线程会竞争获取锁。

3.3 等待和唤醒

• notify() 方法：会随机唤醒 Wait Set 中的一个线程，被唤醒的线程需要重新竞争锁，只有竞争到锁才能继续执行。
• notifyAll() 方法：会唤醒 Wait Set 中的所有线程，这些线程会和 Entry Set 中的线程一起竞争锁。