Java 的 synchronized 是怎么实现的？

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对象头（Object Header）

在JVM 中，每个对象的内存布局主要由两部分组成：

Mark Word：用于存储对象的运行时数据，包括锁状态、哈希码、GC 分代信息等。

Klass Pointer：指向对象的类型元数据，帮助JVM确定对象的类型信息。

在 Java 中，Mark Word 是对象头的一部分，用于存储关于对象的信息。不同的状态下，Mark Word 的内容会有所不同。以下是一些常见的标识及其含义：

无锁状态（Normal Object）：

在 32 位 JVM 上：25 bits 用于哈希码（HashCode），4 bits 用于分代年龄（Age），2 bits 固定为 01。
在 64 位 JVM 上：31 bits 用于哈希码，4 bits 用于分代年龄，2 bits 固定为 01。

轻量级锁（Lightweight Locking）：Mark Word 存储指向栈中锁记录的指针，并且最后两位是 00。

偏向锁（Biased Locking）：

最后一位是 1 表示启用偏向模式。
偏向线程 ID、Epoch 和分代年龄等信息也被编码在其中。

重量级锁/膨胀后的锁（Heavyweight Locking/Bloated Lock）：Mark Word 存储指向互斥量 (Monitor) 的指针，并且最后两位是 10。

GC 标记阶段使用：当进行垃圾回收时，对象可能会暂时改变其 Mark Word 来表示 GC 状态，这通常与具体的 GC 实现有关，比如 CMS 或 G1 等。

Mark Word 是实现 synchronized 的关键，因为它会根据锁的状态保存不同的信息，具体包括：

未锁定状态：Mark Word 存储对象的哈希码和 GC 分代信息。

偏向锁状态： Mark Word保存获取该锁的线程ID和一些偏向锁标志位。

轻量级锁状态： Mark Word 存储的是指向栈中锁记录的指针。

重量级锁状态： Mark Word 存储的是指向 Monitor 对象的指针。

锁的升级与优化

为了提高synchronized的性能， JVM从JDK 1.6开始引入了锁的优化机制，包括偏向锁、轻量级锁、重量级锁，这些状态会根据线程的竞争情况进行动态升级或降级。

偏向锁

在没有锁竞争的情况下，锁总是＂偏向＂于第一个获得它的线程。偏向锁通过减少不必要的CAS操作来提高性能。

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有。

加锁过程：当线程第一次请求锁时， JVM 会将该线程的 ID 记录在对象头的 Mark Word 中，表示锁偏向于该线程。后续该线程再进入该锁时，无需进行额外的同步操作。

撤销偏向锁：

其它线程使用对象：如果在偏向锁持有期间，另一个线程请求同一把锁，JVM 会撤销偏向锁，并升级为轻量级锁。
调用对象 hashCode：调用了对象的 hashCode，但偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id，如果调用 hashCode 会导致偏向锁被撤销。

轻量级锁会在锁记录中记录 hashCode
重量级锁会在 Monitor 中记录 hashCode

调用 wait/notify

批量重偏向：如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象的 Thread ID。当撤销偏向锁阈值超过 20 次后，jvm 会这样觉得，我是不是偏向错了呢，于是会在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程。具体来说，而当一类对象撤销的次数过多，比如有个Yes类的对象作为偏向锁，经常被撤销，次数到了一定阈值就会把当代的偏向锁废弃，把类的epoch加一。所以当类对象和锁对象的epoch值不等的时候，当前线程可以将该锁重偏向至自己，因为前一代偏向锁已经废弃了。

线程1：1-50次加锁都是101，即偏向锁状态；这个没什么问题，线程1首次加的锁，并且没有别的线程竞争，所以对象头是偏向锁状态，对应的 Thread Id 为线程1.
线程2：1-19 加的锁都是轻量级锁，即前19次进行了偏向锁撤销，第20次执行了重偏向，线程id指向线程2；

批量撤销：当撤销偏向锁阈值超过 40 次后，jvm 会这样觉得，自己确实偏向错了，根本就不该偏向。于是整个类的所有对象都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的。

线程1：1-50都结婚了（有偏向的线程了）
线程2：1-19都离婚了（锁撤销），zf看不行啊，直接结婚证改名吧，20-40都换老公了（Thread Id 直接换了） // 到达BiasedLockingBulkRebiasThreshold次数
线程3：20-40又离婚了（锁撤销），滚蛋，都玩完，谁都不能结婚，结婚的也都给我离婚（设置为不可偏向状态，正在运行的锁对象会被撤销）// 到达BiasedLockingBulkRevokeThreshold次数
刚出生的妹子，以后直接不让结婚了。（new出来就是轻量级锁）

轻量级锁（Lightweight Locked）

轻量级锁适用于多个线程短时间内争用同一锁的场景。

加锁过程：当线程进入同步块时， JVM会在当前线程的栈帧中创建一个锁记录（Lock Record），并将对象头中的Mark Word拷贝到锁记录中。线程尝试使用 CAS 操作将对象头中的Mark Word更新为指向锁记录的指针。如果成功，则表示该线程获取了锁；如果失败，则表示其他线程已经持有该锁，此时锁会升级为重量级锁。

解锁过程：线程退出同步块时， JVM会将对象头中的Mark Word恢复为原始值。

重量级锁（Heavyweight Locking）

当锁竞争激烈时， JVM会升级为重量级锁，重量级锁使用操作系统的互斥量（Mutex）机制来实现线程的阻塞与唤醒。

加锁过程：如果线程无法通过轻量级锁获取锁， JVM会将该锁升级为重量级锁，并将当前线程阻塞。

解锁过程：当线程释放重量级锁时， JVM会唤醒所有阻塞的线程，允许它们再次尝试获取锁。

📎 参考

偏向锁的【批量重偏向与批量撤销】机制