Synchronized 底层原理是什么，可重入锁原理是什么

synchronized 底层原理

• synchronized 是 Java 提供的内置锁机制，底层基于 对象监视器（Monitor） 和 JVM 的锁优化 实现。
• 核心：
• 通过 Monitor 对象管理线程的互斥和同步。
• 底层用 monitorenter 和 monitorexit 指令实现。

可重入锁原理

• 可重入锁（Reentrant Lock）：
• 同一个线程可多次获取同一锁而不死锁。
• 实现：
• Monitor 记录锁持有者和重入次数。

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1. synchronized 底层原理详解

(1) 基本概念

• 作用：
• 确保同一时刻只有一个线程访问同步块或方法。
• 使用：
• 同步块：synchronized (obj) {}。
• 同步方法：synchronized void method()。

(2) Monitor 机制

• 对象监视器：
• 每个对象有一个 Monitor（隐式绑定）。
• Monitor 包含：
  • Owner：当前持有锁的线程。
  • Entry List：等待锁的线程队列。
  • Wait Set：调用 wait() 的线程。
• 状态：
• 未锁、锁定、等待。

(3) 字节码层面

• 指令：
• monitorenter：进入同步区，获取锁。
• monitorexit：退出同步区，释放锁。
• 示例：

synchronized (obj) {
    // 代码
}
// 字节码：
monitorenter
// 同步代码
monitorexit

(4) 对象头与锁状态

• 对象头（Mark Word）：
• 存储锁信息（HotSpot 用 64 位）。
• 结构：
  • 无锁：哈希码、GC 分代。
  • 锁状态：轻量锁指针、重量锁指针。
• 锁升级（JDK 1.6+ 优化）：
• 无锁：
  • 未加锁状态。
• 偏向锁：
  • 单线程场景，记录线程 ID。
• 轻量锁：
  • 无竞争或低竞争，用 CAS 更新指针。
• 重量锁：
  • 多线程竞争，膨胀为 Monitor。

(5) 锁优化

• 偏向锁：
• 减少无竞争时的开销，CAS 标记线程。
• 轻量锁：
• CAS 在栈帧中记录锁，避免 Monitor。
• 锁粗化：
• 合并多次加锁为一次。
• 锁消除：
• JIT 编译器移除无意义的锁（如局部对象）。

图示

无锁 -> 偏向锁 (单线程) -> 轻量锁 (低竞争) -> 重量锁 (高竞争)

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2. 可重入锁原理详解

(1) 定义

• 可重入：
• 同一线程可多次获取同一锁，每次加锁计数加 1，释放时减 1，直至 0 才真正释放。

(2) synchronized 的可重入实现

• Monitor 记录：
• 对象头的 Mark Word 或 Monitor 包含：
  • 线程 ID：标识锁拥有者。
  • 计数器：记录重入次数。
• 过程：
• 线程首次获取锁：
  • Monitor 标记线程，计数器设为 1。
• 再次进入：
  • 检查线程 ID，相等则计数器 +1。
• 退出：
  • 每次 monitorexit，计数器 -1，减到 0 释放。
• 示例：

class Demo {
    synchronized void method1() {
        method2(); // 可重入
    }
    synchronized void method2() {
        System.out.println("Running");
    }
}

Demo demo = new Demo();
demo.method1(); // 同一线程两次加锁

(3) 与非可重入对比

• 非可重入：
• 线程二次获取锁会阻塞自己。
• synchronized：
• 通过计数器避免自阻塞。

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3. 源码与 JVM 实现

• HotSpot：
• monitorenter 检查 Monitor：
  • 若空，获取并设计数器。
  • 若已持有，计数器 +1。
• monitorexit 减计数器，0 时释放。
• 对象头变化：

无锁:   | hashCode | age | 0 |
偏向锁: | threadID | epoch | 1 |
轻量锁: | 栈帧指针        | 00 |
重量锁: | Monitor 指针     | 10 |

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4. 延伸与面试角度

• 与 ReentrantLock 对比：
• synchronized：JVM 内置，简单。
• ReentrantLock：显式锁，支持超时、公平锁。
• 性能：
• JDK 1.6+ 优化后，synchronized 与 ReentrantLock 接近。
• 实际应用：
• 同步块：保护共享资源。
• 可重入：递归调用。
• 面试点：
• 问“原理”时，提 Monitor 和锁升级。
• 问“可重入”时，提计数器。

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总结

synchronized 底层靠 Monitor 和对象头实现，锁升级优化性能；可重入通过线程 ID 和计数器支持同一线程多次加锁。面试时，可提字节码或画锁状态图，展示理解深度。