synchronized 实现与三特性

TL;DR（30 秒扫完）

对象头 = Mark Word（8 字节，存哈希码/GC 年龄/锁标志位/锁指针）+ Klass Pointer（4-8 字节）
锁升级四条路径：无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁（只有升级没有降级）
JDK 15 默认关闭偏向锁，JDK 18 彻底移除（偏向锁撤销代价高、需 STW）
三大特性底层：原子性=Monitor owner 互斥；可见性=解锁刷主存+加锁 reload；有序性=JIT 禁止指令重排
synchronized 是非公平锁（JVM 内部不保证先到先得）

关键结论

结论 Asynchronized 靠对象头 Mark Word 记录锁状态，锁升级从无锁→偏向锁→轻量级锁→重量级锁，只有升级没有降级

结论 B三大特性各自独立底层——原子性靠 Monitor owner 互斥，可见性靠解锁刷主存+加锁 reload，有序性靠 JIT 禁止指令重排

结论 Csynchronized 是非公平锁，JVM 内部不保证先到先得，需要公平性用 ReentrantLock(true)

结论 DJDK 15 后偏向锁被默认关闭，JDK 18 彻底移除——偏向锁撤销代价高、需 STW，现代 GC 下不划算

完整讲解（费曼四步）

STEP 1 · 概念

synchronized 是 Java 内置的同步关键字，同时保证原子性、可见性、有序性。它的底层是对象头（Mark Word）记录锁状态 + 锁升级机制 + Monitor（管程）。

STEP 2 · 大白话

类比：synchronized 就像一间只能进一个人的密室（Monitor）。门口有个门禁（CAS）——先尝试进，进不去就在门口排队（CLH 队列）。一旦进去，门就从里面锁上（owner 指针指向你），其他人只能等。

锁升级就像"逐步加严管理"：刚开始只有一个常客（偏向锁，零开销）→ 来了第二个客人（轻量级锁，CAS 自旋）→ 来了很多客人排队（重量级锁，OS 阻塞）。

STEP 3 · 底层

对象头结构（HotSpot 64 位）

部分	大小	内容
Mark Word	8 字节	哈希码、GC 分代年龄、锁标志位（最后 2 位）、锁指针/偏向线程 ID
Klass Pointer	4-8 字节	指向方法区的类元数据
数组 length	4-8 字节	仅数组对象有

Mark Word 锁标志位（最后 2 位）决定当前锁状态：

01 = 无锁
00 + 锁标志位 01 = 偏向锁
00 = 轻量级锁
10 = 重量级锁
11 = GC 标记（标记后回到无锁）

锁升级四条路径

阶段	触发条件	机制	性能
无锁	初始状态	—	—
偏向锁	只有一个线程访问	Mark Word 记录线程 ID，同线程访问直接放行，不加锁不 CAS	最轻量（零开销）
轻量级锁	第二个线程到达	撤销偏向锁，CAS 自旋尝试获取，不进入 OS 阻塞	中等
重量级锁	CAS 自旋失败达阈值（默认 10 次）	膨胀为重量级锁，线程挂起到 Monitor entryList，OS 调度	最重

关键规则：

只有升级没有降级——JVM 保证锁状态单调递增
偏向锁适合"一次获取、多次访问"的低竞争场景
轻量级锁适合"锁持有时间极短"的中竞争场景
重量级锁是最终兜底

JDK 演进

版本	变化
JDK 6	引入锁升级优化（偏向锁 + 轻量级锁）
JDK 15 (JEP 374)	偏向锁默认关闭（`-XX:-UseBiasedLocking`）
JDK 18	偏向锁彻底移除

废弃原因：偏向锁撤销代价高（需 STW），现代 GC（ZGC/Shenandoah）让偏向锁优化不划算；STW 时代结束偏向锁失去主要场景。

三大特性的底层机制

特性	底层机制	关键动作
原子性	Monitor 互斥	每个对象隐含 Monitor，含 owner 指针；CAS 尝试设置 owner；重量级锁下线程挂到 entryList
可见性	解锁刷主存 + 加锁 reload	解锁：工作内存强制刷回主存（StoreLoad 屏障）；加锁：丢弃本地工作内存，强制从主存 reload
有序性	JIT 禁止指令重排	禁止把 synchronized 块内的指令重排到块外；CPU StoreLoad 屏障防止跨块重排

happens-before 第 17 条规则：对一个 synchronized 块的解锁，happens-before 后续对同一把锁的加锁。这是 JMM 保证可见性的契约基础。

三种使用场景

场景	锁对象	字节码
修饰实例方法	`this`	方法常量池 `ACC_SYNCHRONIZED` 标志
修饰静态方法	Class 对象	方法常量池 `ACC_SYNCHRONIZED` 标志
修饰代码块	指定对象	`monitorenter` / `monitorexit` / `athrow`

synchronized 锁对象深入（面试陷阱）

核心规则：锁的是"对象引用"，不是"类型"或"代码块"

非静态方法 → 锁 this（当前实例对象）
静态方法 → 锁 Class.class（JVM 全局单例，所有实例共享一把锁）
synchronized(obj) → 锁 obj 引用指向的对象

Class 对象是全局单例：

每个类加载后有一个唯一的 Class 实例
MyClass.class 就是这个引用
因此 static synchronized 会让所有实例互相阻塞（即使两个不同实例）

工程实践建议：

推荐私有 final 锁对象：private final Object lock = new Object();
避免锁 this（外部代码能拿到）
避免锁常量：synchronized("foo") 锁常量池 String，全 JVM 共享一把锁（大坑）

Monitor（管程）

重量级锁的真正实现。每个对象隐含一个 Monitor，包含：

owner：当前持锁线程
entryList：等待获取锁的线程队列
waitSet：wait() 挂起的线程集合

STEP 4 · 简化

一句话总结：synchronized 靠对象头 Mark Word 记录锁状态 + 锁升级四条路径（无锁→偏向锁→轻量级锁→重量级锁）+ 三大特性各自独立底层（Monitor 互斥 / 解锁刷主存 / JIT 禁重排）。是非公平锁，JDK 15 后偏向锁废弃。

常见误区

synchronized 是公平锁

是非公平锁，JVM 内部不保证先到先得

有序性 = 线程顺序获取锁

有序性指指令重排，不是线程调度顺序

锁可以降级

JVM 保证锁只有升级没有降级

锁住进程

Java 里是锁对象/代码块，不是锁进程

延伸追问

synchronized 的锁能降级吗？

不能。JVM 规定锁只有升级没有降级，避免锁状态频繁切换的开销

偏向锁为什么被废弃了？

JDK 15 JEP 374 默认关闭，JDK 18 移除。偏向锁撤销代价高（需 STW），现代 GC 让偏向锁优化不划算

synchronized 和 ReentrantLock 怎么选？

低竞争用 synchronized（JVM 内置、零开销、代码简洁）；高竞争、需要中断/超时/公平锁/多条件变量用 ReentrantLock

速查表

对象头结构：
  Mark Word（8 字节）= 哈希码 + GC 年龄 + 锁标志位 + 锁指针
  Klass Pointer（4-8 字节）

锁升级路径：
  无锁 → 偏向锁（零开销）→ 轻量级锁（CAS 自旋）→ 重量级锁（OS 阻塞）
  只有升级没有降级
  JDK 15 关闭偏向锁，JDK 18 移除

三特性底层：
  原子性 = Monitor owner 互斥
  可见性 = 解锁刷主存 + 加锁 reload
  有序性 = JIT 禁止指令重排 + StoreLoad 屏障

关键术语：
  synchronized 是非公平锁
  锁对象/代码块（非"锁住进程"）
  有序性=指令重排（非"线程顺序获取锁"）

Anki 候选卡片

Q: synchronized 的对象头结构？

A: Mark Word（8 字节：哈希码+GC 年龄+锁标志位+锁指针）+ Klass Pointer（4-8 字节）

Q: synchronized 锁升级的四条路径？

A: 无锁→偏向锁（零开销）→轻量级锁（CAS 自旋）→重量级锁（OS 阻塞），只有升级没有降级

Q: synchronized 三大特性各自底层机制？

A: 原子性=Monitor owner 互斥；可见性=解锁刷主存+加锁 reload；有序性=JIT 禁止指令重排

Q: synchronized 是公平锁还是非公平锁？

A: 非公平锁，JVM 内部不保证先到先得

Q: 偏向锁为什么被废弃？

A: 撤销代价高需 STW，现代 GC 下不划算；JDK 15 默认关闭，JDK 18 彻底移除

Q: happens-before 第 17 条规则？

A: synchronized 块的解锁 happens-before 后续对同一把锁的加锁

关联题目

[ ] 《synchronized是怎么实现的？》— 2026-09-26 Round 1 Q6, ⭐⭐⭐
[ ] 《synchronized是如何保证原子性、可见性、有序性的？》— 2026-09-26 Round 1 Q8, ⭐⭐

关联知识

对象头 Mark Word 记录锁状态；锁升级四条路径无锁→偏向锁→轻量级→重量级；三大特性各自独立底层；非公平锁；JDK 15 偏向锁默认关、JDK 18 彻底移除

密室类比：synchronized 像只能进一个人的密室（Monitor），门口有门禁（CAS），进不去就排队（CLH 队列），进去后门从里面锁上（owner 指向你）

✦ 记忆口诀 ✦

Mark Word 记录锁状态；四条路径无降级；三大特性=Monitor 互斥/刷主存+reload/JIT 禁重排；非公平锁；JDK 15/18 偏向锁废弃

关键可视化

锁升级四条路径

flowchart LR
  N["无锁<br/>初始状态"] --> B["偏向锁<br/>单线程访问<br/>Mark Word 记线程 ID<br/>零开销"]
  B --> L["轻量级锁<br/>第二个线程到达<br/>CAS 自旋<br/>不 OS 阻塞"]
  L --> H["重量级锁<br/>CAS 失败达阈值<br/>OS 阻塞<br/>Monitor 挂起"]
  style N fill:#e0e0e0
  note["只有升级没有降级<br/>JDK 15 偏向锁默认关<br/>JDK 18 偏向锁移除"]

对象头结构（HotSpot 64 位）

flowchart TB
  H["对象头"] --> MW["Mark Word<br/>8 字节"]
  H --> KP["Klass Pointer<br/>4-8 字节<br/>指向方法区类元数据"]
  MW --> F1["哈希码"]
  MW --> F2["GC 分代年龄"]
  MW --> F3["锁标志位（最后 2 位）"]
  MW --> F4["锁指针/偏向线程 ID"]

Mark Word 锁标志位

flowchart LR
  F["最后 2 位"] --> F1["01 = 无锁"]
  F --> F2["00 + 锁标志位 01 = 偏向锁"]
  F --> F3["00 = 轻量级锁"]
  F --> F4["10 = 重量级锁"]
  F --> F5["11 = GC 标记"]

三大特性底层机制

flowchart TB
  S["synchronized"] --> A["原子性 ✓<br/>Monitor owner 互斥<br/>CAS 尝试设置 owner"]
  S --> V["可见性 ✓<br/>解锁刷主存<br/>加锁 reload"]
  S --> O["有序性 ✓<br/>JIT 禁止指令重排<br/>StoreLoad 屏障"]
  O -.契约.-> HB["happens-before 第 17 条<br/>解锁 hb 后续加锁"]

synchronized 锁对象三种

flowchart LR
  S["synchronized"] --> C1["非静态方法<br/>锁 this"]
  S --> C2["静态方法<br/>锁 Class\<T\>.class<br/>JVM 全局单例"]
  S --> C3["代码块<br/>锁显式对象<br/>推荐 private final Object lock"]
  C3 -.陷阱.-> X["synchronized(\"foo\")<br/>锁常量池 String<br/>全 JVM 共享一把锁"]

知识关系

⬆️ 前置（Prerequisite）

concurrency-foundations

🔄 延伸（Extends）

jmm-volatile-cas aqs-mechanism

⚡ 对比（Contrast）

ReentrantLock— synchronized 是 JVM 内置、不可中断、不可超时；ReentrantLock 用户态、可中断、可超时、可选公平

🎯 概念 📏 规则 ⚠️ 误区 🔍 追问 ✨ 口诀共 0 张卡，点击翻面