本篇文章主要从字节码和JVM底层来分析synchronized实现原理和锁升级过程，其中涉及到了简单认识字节码、对象内部结构以及ObjectMonitor等知识点。

阅读本文之前，如果大家对synchronized关键字的基本使用还不是很了解的话，推荐阅读笔者之前的一遍关于synchronized关键字使用的文章：

synchronized三种使用方式都不知道还想通过面试，门都没有

从字节码角度分析synchronized实现

从JVM规范中可以了解到，无论是synchronized修饰方法(实例/静态方法)还是代码块都是基于进入(entry)和退出(exit)monitor对象来实现，但是两种修饰方式在字节码层面实现上有着很大区别。下面我们通过javap -verbose XXX.class命令查看class文件信息来具体分析两者实现上的差异。

synchronized修饰代码块：

程序源码如下：

class文件信息如下：

由上面的class信息可以得知，使用synchronized修饰代码块会在同步代码块之前加monitorenter指令，同时在代码块正常退出(15行)和异常退出(21行)的地方插入monitorexit指令，从而保证monitorenter和monitorexit的成对执行(保证同步代码块执行结束的同时释放锁资源)。可以把monitorenter看作lock.lock()，monitorexit看作lock.unlock()，那么monitorenter和monitorexit可以用更加方便理解的伪代码表示，如下：

synchronized修饰方法：

程序源码如下：

class文件信息如下：

由上面的class信息可以得知，synchronized修饰方法并没有通过插入monitorentry和monitorexit指令来实现，而是在方法表结构中的访问标志(access_flags)设置ACC_SYNCHRONIZED标志来实现。线程在执行方法前先判断access_flags是否标记ACC_SYNCHRONIZED，如果标记则在执行方法前先去获取monitor对象，获取成功则执行方法代码且执行完毕后释放monitor对象，获取失败则表示monitor对象被其他线程获取从而阻塞当前线程。

对象头和MarkWord

说到对象头，我们需要先整体了解下对象的内部结构，如下图所示：

由图可知对象内部结构分为：对象头、实例数据、对齐填充(保证8个字节的倍数)。对象头分为对象标记(markOop)和类元信息(klassOop)。类元信息存储的是指向该对象类元数据(klass)的首地址，4个字节。

对象标记(markOop)是我们重要要介绍的，它存储对象本身运行时的数据，如哈希码、GC标记、锁信息、线程关联等(64位JVM占8个字节，32位JVM占4个字节)，称为"Mark Word"，存储格式非规定与具体JVM实现有关。

Hotspot JVM中MarkWord存储格式如下：

32位存储格式：

64位存储格式：

由MarkWord存储格式可以了解到JVM可以通过锁标志位来判断锁类型，进而进行处理。注意JDK1.6之前只有重量级锁的，JDK1.6之后才有了偏向锁和轻量级锁，后面锁升级部分会详细讲解。

ObjectMonitor

在JVM的规范中，有这么一些话：“在JVM中，每个对象和类在逻辑上都是和一个监视器相关联的，为了实现监视器的排他性监视能力，JVM为每一个对象和类都关联一个锁，锁住了一个对象，就是获得对象相关联的监视器”。这里的监视器就是指的是ObjectMonitor。

ObjectMonitor在JVM源码中的定义如下：

MarkWord中重量级锁指向的重量级指针就是ObjectMonitor对象指针，是基于操作系统互斥(mutex)实现的。

synchronized锁升级和实现原理

synchronized在修饰方法和代码块在字节码上实现方式有很大差异，但是内部实现还是基于对象头的MarkWord来实现的。JDK1.6之前synchronized使用的是重量级锁，JDK1.6之后进行了优化，拥有了无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁的升级过程，而不是无论什么情况都使用重量级锁。

锁升级的优化是针对于不同同步场景进行的优化，在不存在锁竞争的时候进入同步方法/代码块则使用偏向锁，存在竞争时升级为轻量级锁，轻量级锁采用的是自旋锁，如果同步方法/代码块执行时间很短的话，采用轻量级锁虽然会占用cpu资源但是相对比使用重量级锁还是更高效的，但是如果同步方法/代码块执行时间很长，那么使用轻量级锁自旋带来的性能消耗就比使用重量级锁更严重，这时候就需要升级为重量级锁。

下面结合上图所示的MarkWord对几种锁类型进行介绍：

• 无锁：MarkWord标志位01，没有线程执行同步方法/代码块时的状态。
• 偏向锁：MarkWord标志位01(和无锁标志位一样)。偏向锁是通过在bitfields中通过CAS设置当前正在执行的ThreadID来实现的。假设线程A获取偏向锁执行代码块(即对象头设置了ThreadA_ID)，线程A同步块未执行结束时，线程B通过CAS尝试设置ThreadB_ID会失败，因为存在锁竞争情况，这时候就需要升级为轻量级锁。注：偏向锁是针对于不存在资源抢占情况时候使用的锁，如果被synchronized修饰的方法/代码块竞争线程多可以通过禁用偏向锁来减少一步锁升级过程。可以通过JVM参数-XX:-UseBiasedLocking = false来关闭偏向锁。
• 轻量级锁：MarkWord标志位00。轻量级锁是采用自旋锁的方式来实现的，自旋锁分为固定次数自旋锁和自适应自旋锁。 轻量级锁是针对竞争锁对象线程不多且线程持有锁时间不长的场景, 因为阻塞线程需要CPU从用户态转到内核态，代价很大，如果一个刚刚阻塞不久就被释放代价有大。具体实现和升级为重量级锁过程：线程A获取轻量级锁时会把对象头中的MarkWord复制一份到线程A的栈帧中创建用于存储锁记录的空间DisplacedMarkWord，然后使用CAS将对象头中的内容替换成线程A存储DisplacedMarkWord的地址。如果这时候出现线程B来获取锁，线程B也跟线程A同样复制对象头的MarkWord到自己的DisplacedMarkWord中，如果线程A锁还没释放，这时候那么线程B的CAS操作会失败，会继续自旋，当然不可能让线程B一直自旋下去，自旋到一定次数(固定次数/自适应)就会升级为重量级锁。
• 重量级锁：通过对象内部监视器(monitor)实现，monitor本质前面也提到了是基于操作系统互斥(mutex)实现的，操作系统实现线程之间切换需要从用户态到内核态切换，成本非常高。

注：锁只可以升级不可以降级，但是偏向锁可以被重置为无锁状态。

最后，附上一张关于synchronized锁升级流程图(很全面很牛)：

注：由于文章中上传的图片会被压缩，清晰度受到影响，可以关注并私信作者"锁升级"获取synchronized锁升级流程图(高清版)。

END

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