Synchronized笔记

在分析synchronized之前，我们先了解一些概念：用户态和内核态、CAS、java对象布局

用户态和内核态

平时我们所写的java程序是运行在用户空间的，因为我们的jvm对于操作系统来讲就是一个普通程序。用户空间的程序要执行读写硬盘、读写网络、读写内存等重要操作时必须经过操作系统内核来进行。

在JDK早期，Synchronized是重量级锁，每次申请锁都需要调用系统内核。需要从用户空间切换到内核空间，拿到锁后再将状态返回给用户空间。

CAS

cas（compare and swap）它指的是比较与交换，使用无锁的机制保证操作对象的原子性，说是无锁，其实它是一个自旋锁。

首先读取当前值，在计算预期的结果值，在把值修改回去的时候，要比较一下原来读出来的值和现在的值是否相等，如果相等，说明没有别的线程改动过，更新为新的值。如果不一样则说明已经别的线程改过了，这个时候，再次读取当前值，重新再来一遍。cas的底层是由汇编指令lock和cmpxchg(compare and exchange)组合在一起来支撑的。

ABA问题解决：使用version标记，每次操作version加1

java对象布局

openjdk提供了一个查看java对象布局的工具，在maven中引入如下依赖即可使用

        
            org.openjdk.jol
            jol-core
            0.10
        

当我们new 了一个java对象的时候，它在jvm里面一定是占据了一块内存的，那么这个java对象在内存中的布局是什么样子的？

一个普通对象在内存中可以分成4个部分

• markword：对象头标记字，存储对象自身的运行时数据信息，如锁状态标志，偏向线程ID等。
• class pointer：存储类元数据的指针，它指向一个对象到底属于哪个类。例如Object.class。
• instance data：对象自身真正有效数据存储区域，存储了各个字段的内容
• padding：如果一个对象前面的三部分不能被8字节整除，补齐到能整除

下面我们用jol这个工具来看一下一个对象在内存中的布局
测试demo：

public class MackWordTest {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();
        String print = ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable();
        System.out.println(print);
        System.out.println("===========================================================");
        synchronized (obj) {
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
        }
    }
}

运行结果如下：

前8个字节为mark word，后面4个字节为class pointer，然后是补齐。
给对象加上synchronized同步锁之后，我们发现mark word发生了变化，说明锁信息存在了mark word里面，给对象加锁，其实就是修改mark word。

接下来我们就来看synchronized锁升级的过程

锁升级

我们要探究锁升级的过程，只需要看它mark word的变化过程就可以了

锁状态	25位	31位	1位	4bit	1bit偏向锁位	2bit锁标志位
无锁态（new）	unused	hashCode	unused	分代年龄	0	0	1
锁状态	54位	2位	1位	4bit	1bit偏向锁位	2bit锁标志位
偏向锁	当前线程指针JAVA Thread	Epoch	unused	分代年龄	1	0	1
锁状态	62位					2bit锁标志位
轻量级锁/自旋锁	指向线程栈中Lock Record的指针					0	0
重量级锁	指向重量级锁的指针（互斥量）					1	0
GC标记信息	CMS过程用到的标记信息					1	1

锁的状态分成4中：无锁、偏向锁、轻量级锁或自旋锁、重量级锁
怎么区分锁的状态呢？看锁的标志位和偏向锁标志位就好了
首先看锁的标志位：
00代表轻量级锁，10代表重量级锁，我们看到无锁态和偏向锁的锁标志位都是01，这个时候再看偏向锁标志位，也就是看后三位，001是无锁，101是偏向锁。
表中当前线程指针JAVA Thread指向的就是当前线程ID
Lock Record：由于synchronized默认是可以重入的，每个线程上自旋锁的时候，在自己的线程栈中生成一个LockRecord对象，哪个线程能在markword里写入自己LockRecord对象的指针，就算是持有了锁。锁重入的时候再次生成一个LockRecord，这样就记录了到底锁了多少次。

锁升级过程：

一个java对象刚new出来的时候，它有可能是无锁态或者匿名偏向状态，这个时候我们再用synchronized（obj）给这个对象上锁，优先上偏向锁。

偏向锁就是说它偏向于某个线程，因为我们在日常使用锁的时候，大多数都是在一个线程，为了这一个线程要去调用系统内核kernel，太浪费资源了，所以JDK在这里进行了优化。凡是有一个线程第一次获得这把锁，就认为这把锁偏向于它，也就是不惊动操作系统内核，只需要将线程ID放入mark word里就可以了。

当我们有多个线程竞争同一个资源的时候，锁升级为轻量级锁/自旋锁

自旋锁就是多个线程去竞争同一把锁，通过CAS的方式，哪个线程能把自己的信息写入mark word，就算是持有了锁。自旋锁也不需要调用操作系统内核。

如果有特别多的线程同时去竞争一把锁，那这个时候自旋锁就会出现问题，大家想一下，我们的自旋锁是一直在做while循环，假设有10000个线程参与竞争，这个时候真正在干活的只有1个线程，剩下的9999个线程都在做while自旋，cpu资源全都浪费了。所以这种情况下需要升级成为重量级锁

在hotspot虚拟机中，重量级锁的底层实现就是ObjectMonitor（对象监视器），对于每个对象来说，在重量级锁的状态下，mark word中Lock Word指向ObjectMonitor（对象监视器）的起始地址，对象就是这样与monitor建立关联的。

每个对象实例都会有一个 monitor（对象监视器），ObjectMonitor里面有两个队列_WaitSet和_EntryList，分别记录了等待的线程和参与竞争的线程，还有一个_owner用来保存持有对象锁的线程的唯一标识，而ObjectMonitor本质上是依赖于操作系统内核的mutext lock（互斥锁）来实现的，这就需要从用户态切换到内核态。这里的mutex lock的最终实现也是lock和cmpxchg

重量级锁跟轻量级锁最大的区别在于，重量级锁经过操作系统内核的调度之后，系统内核提供一把锁的同时，还会为锁提供wait set队列，这些获取不到锁的线程都进入队列等待，什么时候获取到锁，线程才能继续执行。重量级锁需要阻塞和唤醒线程，这些操作都需要操作系统内核来帮忙，这就需要从用户态切换到内核态，所以效率较低

这里面重量级锁需要经过系统内核kernel，而偏向锁和轻量级锁在用户空间就可以完成。

下面我们来看一些细节，轻量级锁在什么情况下会升级成为重量级锁？

JDK1.6之前，轻量级锁升级成重量级锁有两个条件：

• 轻量级锁自旋次数超过10次
• 等待线程的数量超过cpu核数的2分之一

JDK1.6之后对此进行了优化，引入了自适应自旋，JDK会根据每个线程的运行情况来判断是不是要升级。

从上图中可以看到，偏向锁没有启动的时候，我们new了一个对象，它是一个普通对象，偏向锁已经启动的时候，new出来是一个匿名偏向对象。这里到底是什么意思？

首先java提供了偏向锁启动配置的参数（使用java -XX:+PrintFlagsFinal可以查看JVM可设置的参数）：
偏向锁启动延迟时间： -XX:BiasedLockingStartupDelay=4000
偏向锁开关：-XX:UseBiasedLocking=true
偏向锁默认是打开的，它有一个启动延迟，默认是4秒钟。

为什么偏向锁要延迟4秒？

jvm在启动过程中是有大量的线程竞争资源的，这个时候启动偏向锁是没有意义的，所以延迟4秒，等待JVM启动。

在偏向锁已经启动的情况下，刚new的一个对象，还没有任何线程持有这把锁，这个时候没有偏向任何线程，所以是匿名偏向

在偏向锁未启动的情况下，new出来的对象就是普通对象，在偏向锁还没启动的时候，如果有竞争，这个时候就直接升级成轻量级锁。

我们先来看一下普通对象：

    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();
        String print = ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable();
        System.out.println(print);

    }

运行结果：

我们看到运行结果是001，也就是无锁态（对照前面锁状态表中的结果），说明这个时候new 出来是一个普通对象。
我们前面说过JVM默认是开启了偏向锁的，只不过要延迟4秒钟，在上面的demo中，new object()操作自然是远远不到4秒钟，所以这个时候偏向锁还未启动，new 出来的object对象就是一个普通对象，处于无锁态。

我们让它睡眠个5秒钟，再来看一下匿名偏向

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        // 睡眠5秒
        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        Object obj = new Object();
        String print = ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable();
        System.out.println(print);

    }

运行结果：

这个时候结果是101，表示偏向锁，new 出来的object对象，这个时候还没有任何线程持有这个对象的锁，所以是匿名偏向。

接着看下普通对象在偏向锁未启动的情况下，给对象加上synchronized，它会是什么样一个状态

 public static void main(String[] args) throws Exception{
        Object obj = new Object();
        String print = ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable();
        System.out.println(print);
        System.out.println("===========================================================");
        synchronized (obj) {
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
        }
    }

运行结果：

我们看到这个对象由刚开始的 001（无锁态）转变到 00（轻量级锁）