什么是synchronized的底层原理和锁升级机制？

synchronized是Java多线程编程中常用的同步机制，其底层实现和锁升级过程备受关注。本文通过代码示例深入分析了synchronized的底层原理和锁的升级路径:无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。

以下Java代码演示了synchronized锁的升级过程：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread.sleep(5000);
    Object obj = new Object();
    System.out.println("初始状态 =====================" + "\n" + ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
    new Thread(() -> {
        synchronized (obj) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取锁执行。。。。\n"
                    + ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
        }
    }, "Thread-A").start();

    Thread.sleep(1000);

    new Thread(() -> {
        synchronized (obj) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取锁执行。。。\n"
                    + ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
        }
    }, "Thread-B").start();

    Thread.sleep(5000);
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
}

运行结果(可能因JVM版本而异)： 显示对象头Mark的结果 Word在不同线程访问中的状态变化显示了锁的升级过程。 在现代JVM中，由于偏向锁通常默认关闭，您可能会观察到从无锁状态直接升级到轻量级锁的状态变化。

基于Hotspot虚拟机的synchronized的监视器锁（Monitor）实现，依赖对象头中的Mark Word和操作系统互斥锁（Mutex Lock）。Mark Word存储对象的运行数据，包括锁定状态。

1. 无锁状态: 对象的初始状态，Mark Word存储哈希码等信息。

2. 偏向锁状态： 当只有一个线程访问同步块时，JVM会偏向于锁优化，Mark Word记录线程ID。 这减少了不必要的CAS操作，提高了性能。 (现代JVM通常默认关闭)

3. 轻量级锁状态： 当第二线程试图获得锁时，如果有偏向锁(或偏向锁失效)，则升级为轻量级锁。 线程在栈帧中创建锁记录，并尝试使用CAS操作Mark 用指向锁记录的指针代替Word。成功获得锁，失败升级为重量级锁。

4. 重量级锁状态： 轻量级锁竞争失败(CAS操作失败)，锁升级为重量级锁。 线程堵塞依赖于操作系统Mutex Lock实现同步，性能成本高。

在代码示例中，锁状态会经历不同的阶段，这反映了synchronized的锁升级机制。 需要注意的是，由于JVM的优化策略，偏向锁可能会被禁用，从无锁状态直接升级到轻量级锁。 了解synchronized的锁升级机制，有助于开发者更有效地利用这一同步工具，并根据实际情况选择合适的锁策略。 现代JVM的优化策略使Synchronized在许多情况下具有较高的性能。

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