【JavaEE】synchronized原理详解

本文使用的是JDK1.8

引言

Java对象在JVM的结构

对象头

Mark Word

Monitor

Owner

EntryList

WaitSet

加锁过程

锁消除

偏向锁

偏向锁使用

重偏向

撤销偏向

轻量级锁

重量级锁

自旋优化

引言

对于synchronized原理讲解之前，我们需要知道Java对象在JVM中的结构和Monitor是什么。

参考文章：Java对象头详解 - 简书 (jianshu.com)

http://t.csdnimg.cn/uX4RP

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Java对象在JVM的结构

普通对象

数组对象

其中对象头和加锁关系非常大。所以这里只介绍对象头。

对象头

以32位的JVM为例，如果是64位的，那就×2.

普通对象

|--------------------------------------------------------------|
|                     Object Header (64 bits)                  |
|------------------------------------|-------------------------|
|        Mark Word (32 bits)         |    Klass Word (32 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|

数组对象

|---------------------------------------------------------------------------------|
|                                 Object Header (96 bits)                         |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
|        Mark Word(32bits)       |    Klass Word(32bits) |  array length(32bits)  |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|

Mark Word

|-------------------------------------------------------|--------------------|
|                  Mark Word (32 bits)                  |       State        |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| identity_hashcode:25 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |       Normal       |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|  thread:23 | epoch:2 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |       Biased       |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|               ptr_to_lock_record:30          | lock:2 | Lightweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|               ptr_to_heavyweight_monitor:30  | lock:2 | Heavyweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|                                              | lock:2 |    Marked for GC   |
|-------------------------------------------------------|--------------------|

64位的如下：

偏向锁位 + 锁标志位

identity_hashcode：hashcode。只有调用该方法时才会生成。如果调用某个对象未被重写的HashCode方法，此时对它进行上锁，它将直接进入轻量级锁；如果它在偏向锁的基础上，在调用HashCode方法，此时它就变成重量级锁了。

epoch：偏向时间戳。

Monitor

上面提到了重量级锁，就是和这里的Monitor对象有关。每个Java对象都可以关联一个Monitor对象，使用synchronized加锁的对象如果升级成重量级锁，就要和Monitor对象关联了。

Monitor对象主要由三部分构成

Owner

开始时，Owner为空。如果对象A被Thread-1线程加成了重量级锁，并且它右调用了Object中的wait方法，则它就进入WaitSet中等待，此时其他线程可以对对象A上锁了。Thread-1同理。现在就是Thread-2对对象A上锁了，并且没释放，也没有wait。

EntryList

Thread-3和Thread-4线程也想对对象A上锁，但是此时Thread-2线程持有锁，它俩只能进入EntryList进行等待。如果后续Thread-2线程释放了锁，就会通知EntryList中所有的线程来竞争锁。

WaitSet

原本持有锁，但是使用wait方法后放弃了锁，就进入WatiSet中进行等待。后续只能用对象A的notify()或者notifyAll()方法来唤醒它们。

加锁过程

synchronized的加锁过程是逐步提高的，并不是一上来就要加重量级锁。

锁消除

对于一些对象，如果它不可能被其他线程贡献，并且对于该对象使用synchronized加锁了，那么JIT(即时编译器)会自动的不给这个对象加锁。因为不可能发生锁冲突的情况。如下代码：

public class MyTest {static int x = 0;public void a() throws Exception {x++;}// 这里的 o 对象是不可能被其他线程使用到的public void b() throws Exception {Object o = new Object();synchronized (o) {x++;}}
}

锁消除是默认开启的。-XX:-EliminateLocks 使用它关闭。

偏向锁

偏向锁是默认开启的。所以当对象创建后，它的锁标志位后三位为 101，且偏向时间戳为0，也没有线程指针。
偏向锁默认是延迟的。也就是不会在程序启动时立刻生效，如果不想有延迟，可以添加VM参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用。

偏向锁使用

在没有锁竞争的时候，每次重入都需要进行CAS操作（把线程ID记录到对象中），但这个操作在第一次执行完之后如果重入的时候在使用CAS操作没必要。所以在JDK 6 之后就使用偏向锁来优化。

线程第一次使用对象后，就把线程ID记录的对象头中的Mark Word中。后续如果要加锁，先看看线程ID是不是自己，表示重入，就没发生竞争。

重偏向

如果有多个线程访问同一个对象，但是没有发生锁竞争。比如线程1先对对象A加了偏向锁（线程A已经结束），后续线程2又使用了对象A，当访问次数超过20 次后，后续如果线程2还要使用对象A，那么此时对象A的Mark Word中的线程ID就变成了线程2的。

撤销偏向

当上述的重偏向次数超过 40 次后，那么这个类所创建的对象都会变成不可偏向的，新建的对象也都是不可偏向的。
当调用对象的hashCode方法时，偏向锁也会被撤销。如果是轻量级锁，那么hashCode会保存在锁记录中；如果是重量级锁，hashCode会保存在Monitor中。
线程1使用对象时，线程2也来使用相同的对象了，此时也会撤销偏向锁，升级成轻量级锁。
当调用了wait方法后，在notify后，此时就从偏向锁升级成重量级锁了。

轻量级锁

之前谈到，当多个线程对同一对象操作时，锁状态会从偏向锁升级到轻量级锁。轻量级锁是对使用者透明的。

轻量级锁加锁过程如下：

每个线程的栈帧都要创建一个锁记录（Lock Record）的结构，其内部存储锁定对象的Mark Word

Object reference指向锁对象；并用CAS尝试把对象头中的Mark Word中的跟偏向锁相关的内容存到lock record中，把原来的Mark Word中偏向锁的记录改成存 lock record的地址。如果操作成功，就如下图所示：

如果CAS尝试失败：
- 可能是其他线程拥有了该对象的轻量级锁。此时就会自选优化，最后升级到重量级锁
- 也有可能是自己这个线程执行的所重入，那么就会继续增加一条锁记录，不过新加的锁记录的指向地址就是空，后续取到为空的锁记录时，重入记录减一。如下图
轻量级锁解锁时，如果最后一条锁记录为偏向锁的相关信息，则使用CAS把Mark Word中的恢复
- 恢复成功，就是解锁成功
- 恢复失败，说明轻量级锁升级为重量级锁了，要用重量级锁的方式来解锁。