剑指JUC原理-5.synchronized底层原理

Java对象头

以32位虚拟机为例：

普通对象

在这里插入图片描述

在Java虚拟机中，每个对象都有一个对象头（Object Header），其中包含了一些用于管理对象的元数据信息。对象头通常由两部分组成：mark word（标记字）和klass word（类指针字）。

Mark Word（标记字）：Mark Word是用于存储对象的运行时数据和锁相关的信息。它的具体结构和含义可能因不同的虚拟机实现而有所差异，但通常包含以下信息：

对象的哈希码（Hash Code）：用于快速比较对象是否相等。
GC相关信息：标记对象是否被垃圾回收器标记为可回收、是否被锁定等。
锁状态：用于支持对象的同步机制，如偏向锁、轻量级锁、重量级锁等。
并发标记：用于并发垃圾回收算法中的标记过程。

Klass Word（类指针字）：Klass Word是指向对象所属类的指针。它指向对象的类元数据（Class Metadata），包含了类的方法、字段、父类、接口等信息。通过Klass Word，可以确定对象的类型，并进行动态分派，即在运行时根据对象的实际类型调用相应的方法。

对象头中的mark word和klass word在Java虚拟机中起着重要的作用，用于管理对象的状态、锁定机制和类型信息等。它们是实现Java语言特性和虚拟机功能的关键元素。

通过看对象头的位数，占8个字节

其中int占 4 个字节，Integer 占用4个字节 + 8个字节的对象头，一个Integer大int三倍，所以在内存很敏感的场景，建议使用int。

Mark Word结构

在这里插入图片描述

这个部分后面再详细讲解，这里其实可以理解为各种锁的状态

Monitor原理

Monitor 被翻译为监视器或管程

每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的
Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针

Monitor 结构如下

在这里插入图片描述

刚开始 Monitor 中 Owner 为 null
当 Thread-2 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-2，Monitor中只能有一
个 Owner
在 Thread-2 上锁的过程中，如果 Thread-3，Thread-4，Thread-5 也来执行 synchronized(obj)，就会进入
EntryList BLOCKED
Thread-2 执行完同步代码块的内容，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争的时是非公平的
图中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程，后面讲
wait-notify 时会分析

注意：

synchronized 必须是进入同一个对象（每个对象关联一个monitor ）的 monitor 才有上述的效果
不加 synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

synchronized 原理

static final Object lock = new Object();
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) {synchronized (lock) {counter++;}
}

对应的字节码为：

public static void main(java.lang.String[]);descriptor: ([Ljava/lang/String;)Vflags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:stack=2, locals=3, args_size=10: getstatic #2 // <- lock引用 （synchronized开始）拿到lock锁3: dup			// 复制一份4: astore_1 // lock引用 -> slot 1 将其存储到临时变量slot1里面，以后解锁时使用5: monitorenter // 将 lock对象 MarkWord 置为 Monitor 指针6: getstatic #3 // <- i9: iconst_1 // 准备常数 110: iadd // +111: putstatic #3 // -> i     6 9 10 11 做的是i++操作14: aload_1 // <- lock引用	拿到slot1中临时的引用地址了15: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList16: goto 24	// 执行到24 代码就结束了19: astore_2 // e -> slot 2 20: aload_1 // <- lock引用21: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList22: aload_2 // <- slot 2 (e)23: athrow // throw e		而19~23涉及到 发生异常时 锁时如何释放的24: returnException table:from to target type6 16 19 any19 22 19 anyLineNumberTable:line 8: 0line 9: 6line 10: 14line 11: 24LocalVariableTable:Start Length Slot Name Signature0 25 0 args [Ljava/lang/String;StackMapTable: number_of_entries = 2frame_type = 255 /* full_frame */offset_delta = 19locals = [ class "[Ljava/lang/String;", class java/lang/Object ]stack = [ class java/lang/Throwable ]frame_type = 250 /* chop */offset_delta = 4

从头开始读这段字节码：本质上就是获取锁，保存引用，然后讲锁对象的markword与monitor关联，然后执行锁中的内容，最终锁内容结束，释放并唤醒EntryList中的其他线程。

synchronized进阶小故事

老王 - JVM
小南 - 线程
小女 - 线程
房间 - 对象
房间门上 - 防盗锁 - Monitor
房间门上 - 小南书包 - 轻量级锁
房间门上 - 刻上小南大名 - 偏向锁
批量重刻名 - 一个类的偏向锁撤销到达 20 阈值
不能刻名字 - 批量撤销该类对象的偏向锁，设置该类不可偏向

小南要使用房间保证计算不被其它人干扰（原子性），最初，他用的是防盗锁（monitor），当上下文切换时，锁住门。这样，
即使他离开了，别人也进不了门，他的工作就是安全的。

但是，很多情况下没人跟他来竞争房间的使用权。小女是要用房间，但使用的时间上是错开的，小南白天用，小女
晚上用。每次上锁太麻烦了，有没有更简单的办法呢？

小南和小女商量了一下，约定不锁门了，而是谁用房间，谁把自己的书包挂在门口，但他们的书包样式都一样，因
此每次进门前得翻翻书包，看课本是谁的，如果是自己的，那么就可以进门，这样省的上锁解锁了。万一书包不是
自己的，那么就在门外等，并通知对方下次用锁门的方式。

后来，小女回老家了，很长一段时间都不会用这个房间。小南每次还是挂书包，翻书包，虽然比锁门省事了，但仍
然觉得麻烦。

于是，小南干脆在门上刻上了自己的名字：【小南专属房间，其它人勿用】，下次来用房间时，只要名字还在，那
么说明没人打扰，还是可以安全地使用房间。如果这期间有其它人要用这个房间，那么由使用者将小南刻的名字擦
掉，升级为挂书包的方式。

同学们都放假回老家了，小南就膨胀了，在 20 个房间刻上了自己的名字，想进哪个进哪个。后来他自己放假回老
家了，这时小女回来了（她也要用这些房间），结果就是得一个个地擦掉小南刻的名字，升级为挂书包的方式。老
王觉得这成本有点高，提出了一种批量重刻名的方法，他让小女不用挂书包了，可以直接在门上刻上自己的名字

后来，刻名的现象越来越频繁，老王受不了了：算了，这些房间都不能刻名了，只能挂书包

synchronized 原理进阶

轻量级锁

轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争，如果有竞争会升级为重量级锁），那么可以使用轻量级锁来优化。

轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是 synchronized

static final Object obj = new Object();
public static void method1() {synchronized( obj ) {}
}

创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的
Mark Word

在这里插入图片描述

让锁记录中 Object reference 指向锁对象，并尝试用 cas 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存
入锁记录

在这里插入图片描述

锁记录替换对象头中的MarkWord

如果 cas 替换成功，对象头中存储了锁记录地址和状态 00 ，表示由该线程给对象加锁，这时图示如下

在这里插入图片描述

如果 cas 失败，有两种情况

如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程
如果是自己执行了 synchronized 锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数

在这里插入图片描述

static final Object obj = new Object();
public static void method1() {synchronized( obj ) {// 同步块 Amethod2();}
}
public static void method2() {synchronized( obj ) {// 同步块 B}
}

当退出 synchronized 代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重
入计数减一

在这里插入图片描述

当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null，这时使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头

成功，则解锁成功
失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。

static Object obj = new Object();
public static void method1() {synchronized( obj ) {// 同步块}
}

当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁

在这里插入图片描述

这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程

即为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址
然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED

在这里插入图片描述

当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，失败。这时会进入重量级解锁
流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程

自旋优化

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋（不阻塞，多进行几次循环）来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞（因为阻塞，线程会发生一次上下文切换，极大的浪费性能）。

自旋重试成功的情况

在这里插入图片描述

自旋重试失败的情况

在这里插入图片描述

自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。

在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会
高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。

Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能

偏向锁

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

static final Object obj = new Object();
public static void m1() {synchronized( obj ) {// 同步块 Am2();}
}
public static void m2() {synchronized( obj ) {// 同步块 Bm3();}
}
public static void m3() {synchronized( obj ) {// 同步块 C}
}

在这里插入图片描述

偏向状态

偏向锁使用情况，冲突很少的时候，就一个线程

如果使用场景是多线程，经常竞争，那么偏向锁就不合适了

回忆一下对象头格式

在这里插入图片描述

一个对象创建时：

如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，markword 值为 0x05 即最后 3 位为 101，这时它的
thread、epoch、age 都为 0
偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效，如果想避免延迟，可以加 VM 参数 -
XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟

class Dog {}// 添加虚拟机参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 
public static void main(String[] args) throws IOException {Dog d = new Dog();ClassLayout classLayout = ClassLayout.parseInstance(d);new Thread(() -> {log.debug("synchronized 前");System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));synchronized (d) {log.debug("synchronized 中");System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));}log.debug("synchronized 后");System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));}, "t1").start();
}

输出：

11:08:58.117 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101 
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101 
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101

可以从输出中看到，主线程切换了，以后对应的dog对象就给主线程用了。

注意：处于偏向锁的对象解锁后，线程 id 仍存储于对象头中

如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，markword 值为 0x01 即最后 3 位为 001，这时它的 hashcode、
age 都为 0，第一次用到 hashcode 时才会赋值

在上面测试代码运行时在添加 VM 参数 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁

输出：

11:13:10.018 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 00010100 11110011 10001000 
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001

可以看到，没有偏向锁了，只有轻量级锁了。（第四行的最后两位00就是轻量锁的标志）

撤销 - 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，如图所示：

在这里插入图片描述

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

在调用 hashCode 后使用偏向锁，记得去掉 -XX:-UseBiasedLocking

输出

11:22:10.386 c.TestBiased [main] - 调用 hashCode:1778535015 
11:22:10.391 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001 
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 11000011 11110011 01101000 
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001

可以看到，调用之后只能走轻量级锁了。

撤销 - 其它线程使用对象

当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁

Dog d = new Dog();Thread t1 = new Thread(() -> {synchronized (d) {log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));}synchronized (TestBiased.class) {TestBiased.class.notify();}// 如果不用 wait/notify 使用 join 必须打开下面的注释// 因为：t1 线程不能结束，否则底层线程可能被 jvm 重用作为 t2 线程，底层线程 id 是一样的/*try {System.in.read();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}*/}, "t1");t1.start();
Thread t2 = new Thread(() -> {synchronized (TestBiased.class) {try {TestBiased.class.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));synchronized (d) {log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));}log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));}, "t2");t2.start();
}

输出

[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101 
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101 
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110101 11110000 01000000 
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001

撤销 - 调用 wait/notify

前面学习了重量级锁，轻量级锁，偏向锁的概念，纵观这三个概念，发现 wait/notify 只有重量锁的概念中涉及了。

Dog d = new Dog();Thread t1 = new Thread(() -> {log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));synchronized (d) {log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));try {d.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));}}, "t1");t1.start();new Thread(() -> {try {Thread.sleep(6000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}synchronized (d) {log.debug("notify");d.notify();}}, "t2").start();

输出：

[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101 
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110011 11111000 00000101 
[t2] - notify 
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011100 11010100 00001101 11001010

可以看到，t1最终以10结尾。

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（对性能也是有一定损耗的）**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

Vector<Dog> list = new Vector<>();Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 30; i++) {Dog d = new Dog();list.add(d);synchronized (d) {log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));}}synchronized (list) {list.notify();} }, "t1");t1.start();Thread t2 = new Thread(() -> {synchronized (list) {try {list.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}log.debug("===============> ");for (int i = 0; i < 30; i++) {Dog d = list.get(i);log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));synchronized (d) {log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));}log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));}}, "t2");t2.start();

输出：

[t1] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 1 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 2 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 3 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 4 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 5 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 6 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 7 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 8 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 9 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 10 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 11 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 12 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 13 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 14 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 15 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 16 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 17 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 20 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 21 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 22 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 23 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 24 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 25 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 26 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
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[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
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[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101

因为阈值是20次，以第20次作比较发现，其偏向的线程确实改变了

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

Vector<Dog> list = new Vector<>();int loopNumber = 39;t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {Dog d = new Dog();list.add(d);synchronized (d) {log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));}}LockSupport.unpark(t2);}, "t1");t1.start();t2 = new Thread(() -> {LockSupport.park();log.debug("===============> ");for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {Dog d = list.get(i);log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));synchronized (d) {log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));}log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));}LockSupport.unpark(t3);}, "t2");
t2.start();t3 = new Thread(() -> {LockSupport.park();log.debug("===============> ");for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {Dog d = list.get(i);log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));synchronized (d) {log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));}log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));}}, "t3");t3.start();t3.join();log.debug(ClassLayout.parseInstance(new Dog()).toPrintableSimple(true));

首先先执行t1，偏向都是t1

然后执行t2, 前十九次一开始先是偏向，然后变成轻量级锁，最后变为不可偏向（偏向撤销），后二十次又变成了偏向锁t2

然后执行t3,由于其它线程使用了对象锁，所以偏向状态升级为了轻量级锁，从一开始就是不可偏向的，前19次都是这样的，从第20次开始执行的是撤销操作（相当于总共到了四十次）所以所有的对象都变成了不可偏向的状态

锁消失

public void a() throws Exception {x++;
}public void b() throws Exception {Object o = new Object();synchronized (o) {x++;}
}

因为有JIT编译器，会对Java字节码做进一步优化

所以当加锁会影响性能的时候，会自动在编译的过程中消除锁