【JUC并发编程】synchronized原理分析（中）（JVM对象头/ HotSpot源码分析/ 字节码文件分析）

一、JVM对象头

在JVM中，对象在内存中的布局分为三个部分：对象头、实例数据和对齐填充
HotSpot虚拟机的对象头(Object Header)包括两部分信息:
第一部分"Mark Word":用于存储对象自身的运行时数据， 如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等.
第二部分"Klass Pointer"：对象指向它的类的元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。(数组，对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是从数组的元数据中无法确定数组的大小。 )
注意：
markword : 32位 占4字节 ，64位 占 8字节
klasspoint : 开启压缩占4字节，未开启压缩 占 8字节。

1. Klass Pointer

这一部分用于存储对象的类型指针，该指针指向它的类元数据，jvm通过这个指针确定对象是哪个类的实例。该指针的位长度为JVM的一个字大小，即32位的JVM为32位，64位的JVM为64位。
如果应用的对象过多，使用64位的指针将浪费大量内存，统计而言，64的JVM将会比32位的JVM多耗费50的内存。为了节约内存可以使用选项 -XX:+UseCompressedOops 开启指针压缩。其中 oop即ordinary object pointer 普通对象指针。

-XX:+UseCompressedOops 开启指针压缩
-XX:-UseCompressedOops 不开启指针压缩
对象头：Mark Word+Klass Pointer类型指针 未开启压缩的情况下
32位 Mark Word =4bytes ，类型指针 4bytes ，对象头=8bytes =64bits
64位 Mark Word =8bytes ，类型指针 8bytes ，对象头=16bytes=128bits；
注意：默认情况下，开启了指针压缩 可能只有12字节，必须是8字节的整数倍
所以会额外补充4个字节。

2. 实例属性

就是定义类中的成员属性

3. 对齐填充

对齐填充并不是必然存在的，也没有特定的含义，仅仅起着占位符的作用。
由于HotSpot虚拟机的自动内存管理系统要求对象的起始地址必须是8字节的整数倍，也就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或者2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐的时候，就需要通过对齐填充来补全。

4. 查看Java对象布局

maven依赖

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jolgroupId>
    <artifactId>jol-coreartifactId>
    <version>0.10version>
dependency>

public class Test002 extends Thread {
    private DemoLock demoLock = new DemoLock();

    @Override
    public void run() {

    }

    public void create() {
        synchronized (demoLock) {

        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        DemoLock demoLock = new DemoLock();
        System.out.println(Integer.toHexString(demoLock.hashCode()));
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demoLock).toPrintable());

    }
}

5. 基本数据类型占多少字节

64位虚拟机 对象头占用16个字节— 没有压缩指针
32位虚拟机 对象头占用8个字节

1、bit --位：位是计算机中存储数据的最小单位，指二进制数中的一个位数，其值为“0”或“1”。
2、byte --字节：字节是计算机存储容量的基本单位，一个字节由8位二进制数组成。在计算机内部，一个字节可以表示一个数据，也可以表示一个英文字母，两个字节可以表示一个汉字。

1Byte = 8bit (1B＝8bit)
1KB = 1024Byte(字节)=8*1024bit
1MB = 1024KB
1GB = 1024MB

数据类型	位
int	32bit
short	16bit
long	64bit
byte	8bit
char	16bit
float	32bit
double	64bit
boolean	1bit

5. 论证压缩效果

启用指针压缩-XX:+UseCompressedOops(默认开启)，禁止指针压缩:-XX:-UseCompressedOops
1.默认开启指针压缩

	Object objectLock = new Object();
	System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objectLock).toPrintable());

2.关闭指针压缩

6. New 一个对象占用多少字节

public class Test03 {
    public static void main(String[] args) {
        DemoLockObject demoLockObject = new DemoLockObject();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(demoLockObject).toPrintable());
    }

    static class DemoLockObject {
        int j = 4;
        long i = 1;
        boolean m = false;
    }
}

在开启了指针压缩的情况下：
DemoLockObject 对象头 12个字节
实例数据 int j=4 4个字节 long i=1 8个字节 boolean m=false 1个字节
对齐补充 7个字节，总共32个字节。

二、HotSpot源码分析

hotspot\src\share\vm\oops\markOop.hpp
HotSpot----阿里巴巴

1. 对象头详解

注意：该描述是为64位虚拟机
① 哈希值：31位的对象标识hashCode，采用延迟加载技术。调用方法System.identityHashCode()计算，并会将结果写到该对象头中。它是一个地址，用于栈对堆空间中对象的引用指向，不然栈是无法找到堆中对象的

②GC分代年龄（占4位）：记录幸存者区对象被GC之后的年龄age，一般age为15（阈值为15的原因是因为age只有4位最大就可以将阈值设置15）之后下一次GC就会直接进入老年代，要是还没有等到年龄为15，幸存者区就满了怎么办，那就下一次GC就将大对象或者年龄大者直接进入老年代。

③ 锁状态标志：记录一些加锁的信息(我们都是使用加锁的话，在底层是锁的对象，而不是锁的代码，锁对象的话，那会改变什么信息来表示这个对象被改变了呢？也就是怎么才算加锁了呢？
4位字符编码的最大值

如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等

2. 获取HashCode

00010110 00000000 00000000 00000000
01110101 11010100 00011100

3. 对象状态

1.无锁
3.轻量锁
4.重量锁
5.GC标记

偏向锁标识位	锁标识位	锁状态	存储内容
0	01	未锁定	hash code(31),年龄(4)
1	01	偏向锁	线程ID(54),时间戳(2),年龄(4)
无	00	轻量级锁	栈中锁记录的指针(64)
无	10	重量级锁	monitor的指针(64)
无	11	GC标记	空，不需要记录信息

3.1 偏向锁

偏向锁 启动jvm参数 设置：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0

101----1偏向锁 锁标志位01
BiasedLockingStartupDelay表示系统启动几秒钟后启用偏向锁。默认为4秒，原因在于，系统刚启动时，一般数据竞争是比较激烈的，此时启用偏向锁会降低性能。由于这里为了测试偏向锁的性能，所以把延迟偏向锁的时间设置为0

3.2 轻量锁

public class Test04 {
    private static Object objectLock = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //-XX:BiasedLockingStartupDelay=0 强制开启
//        System.out.println(">>----------------无锁状态-------------------<<");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objectLock).toPrintable());
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (objectLock) {
                    try {
                        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objectLock).toPrintable());
                        Thread.sleep(5000);
                        System.out.println("..子线程..");
                    } catch (Exception e) {

                    }
                }
            }
        }, "子线程1").start();
//        Thread.sleep(1000);
//        sync();
    }

    public static void sync() throws InterruptedException {
        System.out.println(" 主线程获取锁 重量级别锁");
        //11010000 01000000
        synchronized (objectLock) {
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objectLock).toPrintable());
        }
    }

}

3.3 重量锁

public class Test04 {
    private static Object objectLock = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //-XX:BiasedLockingStartupDelay=0 强制开启
//        System.out.println(">>----------------无锁状态-------------------<<");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objectLock).toPrintable());
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (objectLock) {
                    try {
                        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objectLock).toPrintable());
                        Thread.sleep(5000);
                        System.out.println("..子线程..");
                    } catch (Exception e) {

                    }
                }
            }
        }, "子线程1").start();
        Thread.sleep(1000);
        sync();
    }

    public static void sync() throws InterruptedException {
        System.out.println(" 主线程获取锁 重量级别锁");
        //11010000 01000000
        synchronized (objectLock) {
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objectLock).toPrintable());
        }
    }

}

三、字节码文件分析

当我们在使用synchronized锁，通过javap 反汇编指令可以得出：
synchronized锁底层monitorenter和monitorexit指令实现。
Monitorenter：获取锁-----lock.lock();
Monitorexit：释放锁 ---- lock.unlock();
也就是底层实际上基于JVM级别C++对象
当多个线程在获取锁的时，会创建一个monitor(监视器)对象，该对象
成员变量有 owner 拥有锁的线程、recursions 重入次数等。

同步块的实现使用了monitorenter和monitorexit指令：他们隐式的执行了Lock和UnLock操作，用于提供原子性保证。monitorenter指令插入到同步代码块开始的位置、monitorexit指令插入到同步代码块结束位置，jvm需要保证每个monitorenter都有一个monitorexit对应。这两个指令，本质上都是对一个对象的监视器(monitor)进行获取，这个过程是排他的，也就是说同一时刻只能有一个线程获取到由synchronized所保护对象的监视器线程执行到monitorenter指令时，会尝试获取对象所对应的monitor所有权，也就是尝试获取对象的锁；而执行monitorexit，就是释放monitor的所有权

有执行monitorenter 和monitorexit，其中monitorexit指令有两个，分别代表正常退出和异常退出。下面我们看看这两个指令的官方文档的介绍
https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-6.html#jvms-6.5.monitorenter

1.1 Monitor

Hostpot 标准

1.2 Monitorenter（获取锁）

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-6.html#jvms-6.5.monitorenter
简单翻译：
每一个对象都会和一个监视器C++ monitor关联。监视器被占用时会被锁住，其他线程无法来获取该monitor。当JVM执行某个线程的某个方法内部的monitorenter时，它会尝试去获取当前对象对应的monitor的所有权。其过程如下：
1.若monior的进入数为0，线程可以进入monitor，并将monitor的进入数置为1。当前线程成为monitor的owner（所有者）
2. 若线程已拥有monitor的所有权，允许它重入monitor，则进入monitor的进入数加1
3. 若其他线程已经占有monitor的所有权，那么当前尝试获取monitor的所有权的线程会被阻塞，直到monitor的进入数变为0，才能重新尝试获取monitor的所有权。

1.3 monitorexit

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-6.html#jvms-6.5.monitorexit
简单翻译：
1.能执行monitorexit指令的线程一定是拥有当前对象的monitor的所有权的线程。
2.执行monitorexit时会将monitor的进入数减1。当monitor的进入数减为0时，当前线程退出monitor，不再拥有monitor的所有权，此时其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个monitor的所有权。

monitorexit释放锁：monitorexit插入在方法结束处和异常处，JVM保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit。为什么会有两个monitorexit，因为 Synchronized锁的同步代码块如果抛出异常的情况下，则自动释放锁。

1.4 ACC_SYNCHRONIZED

synchronized修饰的方法并没有monitorenter指令和monitorexit指令，取得代之的确实是ACC_SYNCHRONIZED标识，该标识指明了该方法是一个同步方法，JVM通过该ACC_SYNCHRONIZED访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法，从而执行相应的同步调用。这便是synchronized锁在同步代码块和同步方法上实现的基本原理

public static synchronized void count2() {
    System.out.println();
}