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Java面试——Synchronized底层实现原理

星降

星降

发布时间:2026-02-06 08:08:02

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来源于php中文网

原创

synchronized 方法能同步是因为编译器自动插入 monitorenter/monitorexit 指令,触发 ObjectMonitor 的获取与释放;ObjectMonitor 是 C++ 实现的结构体,含 _owner、_EntryList、_WaitSet 等字段,支持重入和等待队列;锁升级为偏向→轻量级→重量级,JDK 15+ 默认关闭偏向锁。

java面试——synchronized底层实现原理

Java 中 synchronized 不是靠 JVM 解释执行的“语法糖”,而是直接绑定到操作系统级的互斥原语,底层依赖的是 monitorenter / monitorexit 字节码指令 + HotSpot 的 ObjectMonitor 机制。

为什么 synchronized 方法没有显式加锁却能同步?

因为编译器会把 synchronized 方法自动转换为在方法入口插入 monitorenter 指令、出口插入 monitorexit 指令。JVM 执行时,这两条指令会触发对当前对象(或 class 对象)关联的 ObjectMonitor 的获取与释放。

关键点:

  • ObjectMonitor 是 C++ 实现的,每个 Java 对象头(mark word)里存着指向它的指针(偏向锁被撤销后)
  • 非静态方法锁的是 this 对象;静态方法锁的是 Class 对象(即 MyClass.class
  • 如果方法抛异常,JVM 仍会保证 monitorexit 执行 —— 这就是 synchronized 不需要手动 try-finally 的原因

锁升级过程:偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁

HotSpot 默认开启锁优化,实际锁状态在对象头 mark word 中动态变化,不是固定一种实现:

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  • 偏向锁:假设无竞争,直接把线程 ID 记录在 mark word 中;后续同一线程重入无需 CAS
  • 轻量级锁:有竞争但不激烈时,用 CAS 尝试将对象头指向线程中的 Lock Record;失败则升级
  • 重量级锁:真正调用操作系统 mutex,挂起线程(pthread_mutex_lock),此时 mark word 存的是 ObjectMonitor* 地址

锁升级不可逆(但 JDK 10+ 引入了锁降级尝试,仅限 GC 阶段,生产环境基本不生效)。

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ObjectMonitor 里到底存了什么?

这是真正干活的结构体,核心字段包括:

struct ObjectMonitor {
  volatile intptr_t _owner;          // 持有锁的线程(或递归计数)
  volatile intptr_t _next_owener;    // 下一个可能获得锁的线程(避免唤醒后立即竞争)
  ParkEvent * _WaitSet;             // wait() 队列(EntryList 里的线程调用 wait 后转入)
  ParkEvent * _EntryList;           // 等待获取锁的线程队列(阻塞中)
  Thread * _succ;                    // 唤醒后即将运行的线程(避免虚假唤醒)
};

注意:_owner 不是简单存 thread ID,而是存 Thread* 指针(64 位下压缩后也占 8 字节),所以可支持重入判断;_WaitSet_EntryList 都是通过 ParkEvent(封装了 pthread_condpthread_mutex)实现的。

常见误区和调试线索

面试常被问但容易答偏的点:

  • synchronized(this)synchronized(任意对象) 效果一致,只要对象没逃逸、没被共享到别的锁逻辑里
  • 锁的是对象“监视器”(monitor),不是对象本身 —— 所以 new Object() 每次都新建 monitor,无法互斥
  • jstack 看线程状态为 BLOCKED,说明在 _EntryList 里排队;状态为 WAITING(如 java.lang.Object.wait()),说明在 _WaitSet
  • JDK 15+ 默认关闭偏向锁(-XX:+UseBiasedLocking 已废弃),轻量级锁成为默认起点

真正难的不是记住流程,而是理解:所有优化(偏向、自旋、队列分离)都是为了在「无竞争」和「短暂竞争」场景下,尽量避免陷入操作系统内核态 —— 一旦调用 pthread_mutex_lock,就至少多一次用户态/内核态切换,成本陡增。

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