并发编程synchronized学习
本篇只是基于我这几天的并发编程学习笔记，只是个人理解，可能有误，看到请指正
1.java头信息
1.JOL 使用
引入jar包
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.10</version>
</dependency>
使用jol查看对象的内存布局：
ClassLayout.parseInstance(testObjectSize).toPrintable()
2.java头信息
Java对象保存在内存中时，由以下三部分组成：
1，对象头
2，实例数据
3，对齐填充字节
java的对象头由以下三部分组成：
1，Mark Word
2，klass word 指向类class对象的指针
3，数组长度（只有数组对象才有）
4，对齐填充（8字节对齐，差了就补）
64位系统下的头信息：
1.无锁：未用25+hashcode31+未用1+4（对象年龄）+偏向锁标识1+锁状态2
2.偏向锁：偏向内核线程id 54+epoch（偏向记录）2+未用1+4（对象年龄）+偏向锁标识1+锁状态2
3.轻量级锁：栈中锁记录的指针62+锁状态2
4.重量级锁：线程Monitor的指针62+锁状态2
最后三位 101 偏向锁，001 无锁，00轻量锁，10重量锁，11 GC标识
java使用的是小端存储，即高位低存
21685669
cn.mlg.test.jol.Test2 object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 a5 e5 4a (00000001 10100101 11100101 01001010) (1256563969)
4 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
8 4 (object header) 28 30 41 21 (00101000 00110000 01000001 00100001) (557920296)
12 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
hashcode ：21685669（十进制）
Mark Word信息，前8个字节00000000 00000000 00000000 00000001 01001010 11100101 10100101 00000001
对象大小计算：
Mark Word 8字节
klass word 开启指针压缩为4字节 没开启8字节
数组长度 4字节没开启8字节
对齐填充
非静态实例数据
引用类型 4字节没开启8字节
基本数据根据其长度计算
-XX:+UseCompressedOops 开启指针压缩（默认）
-XX:-UseCompressedOops （关闭指针压缩）
指针压缩堆内存范围是4G-32G，
2.synchronized关键字
java -v 查看指令
synchronized在编译时会转换成monitorenleter指令，关于monitorenleter的jvm规范：objectref必须是引用类型。每个对象都有一个与其关联的监视器。执行monitorenter的线程获得与objectref关联的监视器的所有权。如果另一个线程已经拥有与objectref关联的监视器，则当前线程将等待直到对象被解锁，然后再次尝试获取所有权。如果当前线程已经拥有与objectref关联的监视器，则它将在监视器中增加一个计数器，以指示该线程进入监视器的次数。如果与objectref关联的监视器不属于任何线程，则当前线程将成为监视器的所有者，并将此监视器的条目计数设置为1
https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se6/html/Instructions2.doc9.html#monitorenter
1.锁概念
jdk在1.6之前synchronized一直是重量级锁、悲观锁，互斥锁，在1.6之后优化了一下分成偏向锁，轻量级锁、重量级锁
重量级锁：内置锁在Java中被抽象为监视器锁（monitor）。在JDK 1.6之前，监视器锁可以认为直接对应底层操作系统中的互斥量（mutex），它每次会调用系统函数（待验证）引起的内核态与用户态切换、线程阻塞造成的线程切换、使用成本比较高。在多个线程竞争的时候synchronized关键字会膨胀为重量级锁
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
DemoA demoA = new DemoA();
Thread thread1 = new Thread(){
public void run() {
synchronized (demoA){
try {
Thread.sleep(1000L);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demoA).toPrintable());
}
}
};
thread1.start();
Thread thread2 = new Thread(){
public void run() {
synchronized (demoA){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demoA).toPrintable());
}
}
};
thread2.start();
}
轻量级锁:如果完全没有实际的锁竞争，那么申请重量级锁都是浪费的。轻量级锁的目标是，减少无实际竞争情况下，使用重量级锁产生的性能消耗，比如交替运行线程，只会调用一次os函数
DemoA demoA = new DemoA();
Thread thread1 = new Thread(){
public void run() {
synchronized (demoA){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demoA).toPrintable());
}
}
};
thread1.start();
thread1.join();
new Thread().start();
Thread thread2 = new Thread(){
public void run() {
synchronized (demoA){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demoA).toPrintable());
}
}
};
thread2.start();
}
中间new Thread().start();是为了不让线程id相同，这个线程id不是java线程id，如果不加，运行可能导致线程id线程相同，都是偏向锁
偏向锁：如果不仅仅没有实际竞争，使用锁的线程都只有一个，那么，维护轻量级锁都是浪费的。偏向锁的目标是，减少无竞争且只有一个线程使用锁的情况下，使用轻量级锁产生的性能消耗。轻量级锁每次申请、释放锁都至少需要一次CAS，但偏向锁只有初始化时需要一次CAS，不用调用os函数
有的文档将自旋也是定义一个锁，其实它不是一个状态，只是获取一个锁的过程
偏向锁和轻量级锁 都是乐观锁
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//
Thread.sleep(6000l);
DemoA demoA = new DemoA();
Thread thread1 = new Thread(){
public void run() {
synchronized (demoA){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demoA).toPrintable());
}
}
};
thread1.start();
}
sleep原因：JVM启动时会进行一系列的复杂活动，比如装载配置，系统类初始化等等。在这个过程中会使用大量synchronized关键字对对象加锁，且这些锁大多数都不是偏向锁。为了减少初始化时间，JVM默认延时加载偏向锁。这个延时的时间大概为4s左右，具体时间因机器而异。当然我们也可以设置JVM参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来取消延时加载偏向锁
使用参数-XX:-UseBiasedLocking禁止偏向锁优化（默认打开）
需要注意的是如果对象已经计算了hashcode就不能偏向了，如果调用wait方法则立刻变成重量锁
2.锁的膨胀过程
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread.sleep(6000l);
DemoA demoA = new DemoA();
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demoA).toPrintable());
Thread thread1 = new Thread(){
public void run() {
synchronized (demoA){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demoA).toPrintable());
}
}
};
thread1.start();
thread1.join();
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demoA).toPrintable());
new Thread(){
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(2000L);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}.start();
Thread thread2 = new Thread(){
public void run() {
synchronized (demoA){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demoA).toPrintable());
}
}
};
thread2.start();
// thread2.join();
// thread1.join();
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demoA).toPrintable());
/* new Thread(){
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(2000L);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}.start();*/
Thread thread3 = new Thread(){
public void run() {
synchronized (demoA){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demoA).toPrintable());
}
}
};
thread3.start();
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demoA).toPrintable());
//thread3.join();
}
1.jvm初始完创建对象，虽然是一个偏向锁状态，但是其线程id是0 也就是偏向任何线程，是一个可偏向状态
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
2.thread1 加了synchronized ，此时只有一个线程独享，无其他线程竞争，而且线程是可偏向状态，此时就会偏向thread1 ，将线程id修改为thread1 id，大致过程是先判断线程是否可偏向可以就偏向，不可以就判断线程id是否是相同
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 05 80 2d 25 (00000101 10000000 00101101 00100101) (623738885)
偏向线程执行完成后，不会撤销，只会膨胀
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 05 80 2d 25 (00000101 10000000 00101101 00100101) (623738885)
3.thread2 等thread1执行完成后同步，此时发现已经偏向了别的线程，先撤销偏向锁，改为无锁状态，在膨胀为轻量级锁，指针指向指向原线程的锁记录，用CAS将指针指向当前线程锁记录成功就获得轻量级锁，失败会自旋（循环一定次数），减少线程切换
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 10 ee cb 25 (00010000 11101110 11001011 00100101) (634121744)
轻量锁执行完成后，会置为无锁状态，上述代码因为下面测试重量级锁，不一样
cn.mlg.test.concurrent.DemoA object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4.轻量级锁自旋失败就会升级为重量级锁，会将Mark Word指向monitor，monitor是一个C++对象，对C++和jvm源码不懂，只知道里面存了一个等待锁的集合和当前持有锁线程
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 2a 37 2a 21 (00101010 00110111 00101010 00100001) (556414762)
重量级锁执行完成后还是重量级锁，不会撤销和降级
3.偏向锁批量撤销和批量偏向
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread.sleep(6000l);
List<DemoA> list= new ArrayList<>();
Thread thread = new Thread(){
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 50; i++) {
DemoA demoA = new DemoA();
synchronized (demoA){
list.add(demoA);
/* System.out.println(Thread.currentThread().getId());
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demoA).toPrintable());*/
if (i==10){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demoA).toPrintable()) ;
}
}
}
try {
Thread.sleep(50000l);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
thread.start();
try {
//保证thread循环完成
Thread.sleep(3000l);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
Thread thread1 = new Thread(){
public void run() {
for (int i = 0; i <40; i++) {
DemoA demoA = list.get(i);
synchronized (demoA){
if (i==18 ||i==19 ){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demoA).toPrintable());
}
}
}
try {
Thread.sleep(50000l);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
thread1.start();
try {
//保证thread1循环完成
Thread.sleep(3000l);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
Thread thread2 = new Thread(){
public void run() {
for (int i = 20; i <50; i++) {
DemoA demoA = list.get(i);
synchronized (demoA){
if (i==20 ||i==39 ){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demoA).toPrintable());
}
}
}
try {
Thread.sleep(50000l);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
thread2.start();
}
批量重偏向好测试，
以class为单位，维护了一个偏向锁撤销计数器，每次class对象撤销就+1，当这个值达到阀值（默认20）时，jvm认为该class偏向有问题，就发送批量重偏向。主要是根据epoch的，class中维护了个epoch，对象中也有epoch（倒数第9 和第十位），对象在创建的时候取得就是class中的epoch，每次发送批量重偏向class中的epoch+1，就会遍历jvm所有栈中 在处于偏向锁加锁状态的对象（还在同步块中的），将其epoch改为class中的epoch,不在同块中的就不修改，下次获得锁时候，就去判断epoch和class中是否相等就不相等说明已经失效，就通过cas将线程id改为当前线程id
Thread.sleep(6000l);
List<DemoA> list= new ArrayList<>();
Thread thread = new Thread(){
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 50; i++) {
DemoA demoA = new DemoA();
synchronized (demoA){
list.add(demoA);
if (i==35){
try {
System.out.println("35到了");
Thread.sleep(50000l);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("35走了");
}
}
}
try {
Thread.sleep(50000l);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
thread.start();
try {
//保证thread循环完成
Thread.sleep(2000l);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
Thread thread1 = new Thread(){
public void run() {
for (int i = 0; i <35; i++) {
DemoA demoA = list.get(i);
synchronized (demoA){
if (i==20 ){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demoA).toPrintable());
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(list.get(34)).toPrintable());
}
}
}
try {
Thread.sleep(50000l);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
thread1.start();
thread.join();
thread1.join();
批量撤销有点难重现（批量重偏向同一代码下面就是），达到了批量撤销的阈值（默认40），就会发生批量撤销，此时膨胀为轻量级级锁
-XX:+PrintFlagsInitial 可以打印启动信息
BiasedLockingBulkRebiasThreshold = 20 批量偏向的阈值
BiasedLockingBulkRevokeThreshold = 40 批量撤销的阈值
BiasedLockingStartupDelay = 4000 偏向锁延时
目前还有很多问题没清楚，学习并发需要熟悉JVM，系统和硬件有一定了解，还有很多其实没搞清楚，等我学完在更新