synchronized 是 Java 中一种用于保证线程安全的机制，它通过加锁的方式来控制对共享资源的访问。它的实现原理基于 监视器锁（Monitor Lock）和 对象头，通过加锁和解锁来确保同一时刻只有一个线程可以执行被 synchronized 修饰的代码块或方法。

synchronized 实现原理

1. 对象头和监视器锁：

   • 每个 Java 对象都有一个与之关联的对象头，Java 虚拟机将对象头分为两部分：Mark Word 和 Klass Pointer。Mark Word 存储着对象的哈希码、GC信息、锁状态等。
   • 在 Java 中，synchronized 锁是通过对象的监视器（monitor）来实现的。每个对象都对应一个监视器，监视器的管理由 JVM 提供。通过监视器来控制线程的访问，保证在同一时刻只有一个线程能访问同步代码块或方法。

2. 锁的获取与释放：

   • 当一个线程访问被 synchronized 修饰的方法或代码块时，首先需要获得对象的锁。若其他线程已经持有该锁，当前线程将进入阻塞状态，直到锁被释放。
   • 线程获取锁时，会通过修改对象头中的锁标志位来标记该对象的状态。JVM 使用对象头中的标志位来管理不同的锁状态（如无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁等）。

3. 锁的升级与降级：

   • 偏向锁：线程首次获取锁时，JVM 会首先尝试为该锁分配偏向锁，偏向锁会将锁的标志指向当前线程 ID，表示当前线程对该对象拥有锁的偏向。如果线程后续继续访问该对象，则无需再竞争锁。
   • 轻量级锁：如果锁已经被其他线程持有，JVM 会尝试通过原子操作（CAS）来获取轻量级锁。轻量级锁通过在对象头中使用 CAS 操作来尝试获取锁，不会阻塞当前线程。轻量级锁是为了减少线程间的竞争，提高性能。
   • 重量级锁：当多线程竞争轻量级锁失败，或者轻量级锁升级失败时，JVM 会将锁升级为重量级锁。重量级锁涉及操作系统的原子操作，线程会被阻塞，直到获取锁为止。

4. 内存可见性保证：

   • synchronized 还确保了内存的可见性。当一个线程释放锁时，所有它所做的修改会被刷新到主内存中，其他线程在获得该锁时，能看到这些修改。这样就保证了共享数据的可见性和一致性。
   • 同时，synchronized 还会保证在加锁区域内，所有操作的原子性，避免了多个线程同时修改共享数据的问题。

5. JVM中的锁优化：

   • JVM 会根据线程的竞争情况动态地调整锁的实现。例如，synchronized 使用时，JVM 会使用 自旋锁 来避免频繁的线程阻塞/唤醒操作，减少线程切换的开销。
   • 如果某个线程获取锁后执行时间很短，JVM 会尝试通过自旋来减少线程的上下文切换，降低性能损耗。

锁的不同状态：

synchronized 实现的锁具有不同的状态，用来表示锁的竞争情况：

1. 无锁状态：对象没有任何线程持有锁，可以被任何线程获取。
2. 偏向锁：一个线程持有锁并且没有其他线程竞争时，锁会变为偏向锁。偏向锁的目的是提高性能，减少锁的竞争。
3. 轻量级锁：多个线程竞争时，JVM 会通过 CAS（Compare-And-Swap）操作来尝试获取锁，但不会阻塞线程。轻量级锁的目的是减少线程间的竞争，提高性能。
4. 重量级锁：当多个线程竞争激烈时，JVM 会将锁提升为重量级锁。此时，线程会进入阻塞状态，直到获取锁。重量级锁涉及操作系统的调度和线程上下文切换，性能较差。