没懂 synchronized 底层如何实现和锁的升降级，被面试官暴打一顿
引言：在 Java 多线程编程中，深入理解 synchronized 关键字的内部工作原理，以及掌握锁的升级和降级机制，对于每个 Java 开发者而言都是一个不小的挑战。如果你还对 synchronized 的底层实现方式感到困惑，或者不清楚什么是锁的升级与降级，那么在面试或实际开发中遇到这类问题时，可能会感到无从下手。但别担心，本文的目的就是要带你深入了解 synchronized。我们将探讨 synchronized 如何在 JVM 层面上实现同步，以及锁在不同竞争情况下如何转换其状态，从而帮助你在讨论多线程同步控制的时候，能够自信且清晰地阐述它的工作原理和应用场景。
题目
没懂 synchronized 底层如何实现和锁的升降级，被面试官暴打一顿
推荐解析
深入理解 synchronized
在 Java 中，synchronized 是实现同步的基本方法之一，既可以修饰方法也可以修饰代码块。其内部实现依赖于 JVM 层面的监视器锁（Monitor Lock），但它的工作原理和锁的状态变化较为复杂，涉及锁的升级与降级。
synchronized 的底层实现
监视器锁（Monitor）
synchronized 关键字的实现依赖于 JVM 内部的一个概念叫做监视器锁（Monitor）。每个对象都有一个监视器锁，当这个对象被用作同步时，执行同步代码的线程必须首先获得这个对象的监视器锁。
对象头（Object Header）
在 JVM 中，对象在内存中的布局包括对象头、实例数据和对齐填充。对象头包含了对象的运行时数据，如哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志等。对于锁的实现，特别是锁的状态，是通过对象头中的一部分来表示的。
锁的状态
1）轻量级锁：当一个线程进入同步块时，如果目标对象没有被锁定，JVM 会在当前线程的栈帧中创建用于锁记录的空间，尝试使用 CAS 操作将对象头的 Mark Word 更新为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，进入轻量级锁状态。
2）重量级锁：如果轻量级锁的竞争失败（例如，另一个线程已持有该锁），锁会膨胀为重量级锁。此时，JVM 会在对象头上设置指向一个监视器（Monitor）的指针，线程将会进入阻塞状态，直到锁可用。
3）偏向锁：JVM 也采用了偏向锁来优化同步性能。当锁被第一次获取时，对象头会被标记为偏向模式，并记录获取它的线程 ID。之后，该线程进入同步块时不需要进行任何同步操作。如果在偏向模式下，另一个线程尝试获取锁，偏向模式会被撤销，锁会升级为轻量级锁或重量级锁。
锁的升级与降级
锁升级
1）从无锁到偏向锁：当一个线程首次访问同步块时，会将对象头设置为偏向锁状态，标记为该线程所有。
2）从偏向锁到轻量级锁：当有另一个线程尝试获取已被偏向的锁时，如果持有偏向锁的线程不活跃，JVM 将取消偏向模式，升级锁为轻量级锁。
3）从轻量级锁到重量级锁：当轻量级锁的竞争发生时，即 CAS 失败，锁会升级为重量级锁，线程进入阻塞状态，等待锁释放。
锁降级
锁降级是指锁状态从重量级锁转变为轻量级锁或偏向锁的过程。在 Java 的 synchronized 实现中，锁降级的概念并不显著，主要是因为一旦锁升级为重量级锁，就很少会降级。锁的降级主要出现在 JVM 对锁状态的优化过程中，例如在锁竞争减少时，JVM 可能会在未来的某个时间点自动进行优化，但这不是显式控制的过程。
加深记忆的例子
想象一下，你住在一个有多间房间的大房子里，每个房间都有一扇门，这些门代表不同的锁状态。
1）无锁到偏向锁：这就像家里的房间通常是开着的，但当你晚上回家并进入你的房间时，你会把门轻轻地关上并转上一圈小锁。这个小锁就是偏向锁，它表示这个房间现在偏向于你，只要你在里面，别人就假设不能进入。但这并不阻止家里的其他人敲门。
2）偏向锁到轻量级锁：如果你的房间门（偏向锁）关着，你的室友想进入时，他们会敲门。这时，你意识到需要更多的隐私，于是你会起来，从里面用钥匙把门锁上，然后再打开让室友进来。这个上锁的动作就像是轻量级锁的获取，需要更明确的操作（比如 CAS 操作）来确保门的状态。
3）轻量级锁到重量级锁：如果你的房间里正在举行派对，很多人想进来，但门只能让一个人一次进入。于是你决定使用门卫（监视器锁），让他决定谁能进来，谁需要等待。这时，门的锁就升级成了重量级锁，确保了同一时间只有一个人可以进入房间，其他人需要在外面等候。
锁的升级与降级：
1）锁升级：这个过程就像是门的锁从一个简单的转把锁（偏向锁），到需要钥匙才能打开的锁（轻量级锁），再到需要门卫控制的高级锁系统（重量级锁）。随着需要控制的人数增多，门的锁系统也变得更加复杂和安全。
2）锁降级：在 Java 中，锁的降级不常见，因为一旦使用了重量级锁，系统就倾向于保持这种状态。但如果将其比喻到现实生活中，可以想象在一天结束时，派对结束了，你告诉门卫他可以回家了，然后你自己使用钥匙锁上门，最终可能只是简单地关上门而不上锁，这就相当于锁的状态从重量级锁“降级”回到了更轻量的状态。
其他补充
鱼聪明 AI 的回答：
鱼聪明 AI 地址：https://www.yucongming.com/
JVM中的锁优化技术
除了已提及的偏向锁、轻量级锁和重量级锁，JVM在运行时还会采用如下几种技术进一步优化锁的性能：
锁粗化（Lock Coarsening）：如果 JVM 检测到一系列的连续锁获取和释放操作，且都是对同一个对象，那么 JVM 会尝试合并这些操作，扩大锁的范围，从而减少锁获取和释放的次数。这种优化通常发生在循环中对同一个对象进行加锁的场景。 锁消除（Lock Elimination）：JVM 在 JIT 编译阶段通过逃逸分析来判断同步代码块是否可能被多线程访问。如果一个对象不会逃逸出当前线程，那么对这个对象的同步操作实际上是不必要的，因此 JVM 可以安全地消除这部分代码的锁操作。
优化策略
JVM 采用了多种优化策略来减少锁操作的开销，例如锁粗化（Lock Coarsening）、锁消除（Lock Elimination）和自旋锁等。这些优化旨在减少不必要的锁竞争开销，提高多线程程序的执行效率。
推荐文章和书籍
文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/86293659
书籍：《 Java 核心技术卷 I 》
欢迎交流
在深入探索 Java 多线程编程的精髓时，理解 synchronized 关键字的底层实现，以及锁的升级与降级机制，无疑是每个 Java 开发者成长过程中的一项重要挑战。通过本文，我们旨在揭开 synchronized 在 JVM 中工作原理的神秘面纱，详细探讨其如何管理锁的状态转换，从而在面对高并发和多线程编程时，你能够更加自信和高效地设计同步控制策略、提升应用性能，并优化资源管理。为了让你对 synchronized 的底层机制有更深刻的理解，并鼓励在技术社区中的知识分享和讨论，我们提出以下三个问题，期待你的深入思考和积极参与：
1）锁的状态转换探讨：在 synchronized 使用过程中，锁有哪些状态？请描述这些状态（无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁）之间的转换过程，并解释在何种场景下会发生这些转换。这些转换的发生对系统性能有何影响？
2）锁的升级与降级机制：详细解释 synchronized 锁的升级与降级机制。在 Java 多线程环境中，为什么需要锁的升级和降级？请给出实际的编程场景，说明在这些场景下，锁的升级或降级如何帮助优化性能和资源利用。
3）synchronized 的底层实现：探讨 synchronized 关键字在 JVM 层面是如何实现的。请详细描述 synchronized 的操作是如何通过对象监视器（Monitor）来控制方法或代码块的同步访问的。此外，JVM 为了优化 synchronized 的性能，采取了哪些内部优化措施（例如锁粗化、锁消除等）？
通过对上述问题的深入探讨，我们不仅能加强对 synchronized 关键字底层实现和锁机制的理解，还能学习到如何根据实际的并发需求，选择和设计出最合适的同步策略。这不仅是对个人技术深度的提升，也是对整个 Java 社区知识共享与进步的贡献。我们鼓励每位读者在评论区留下自己的见解和经验，共同促进 Java 并发编程领域的发展。期待你的参与和贡献，让我们携手在 Java 并发编程的道路上不断前行。
点燃求职热情！每周持续更新，海量面试题等你挑战！赶紧关注面试鸭公众号，轻松备战春招和暑期实习！