从 JVM 中深入探究 Synchronized作用及原理

开篇语

Synchronized，Java 友好的提供了的一个关键字，它让开发者可以快速的实现同步。它就像一个星星，远远看去就是一个小小的点。但是走近一看，却是一个庞大的蛋糕。而这篇文章就是要将这个巨大的蛋糕切开，吃进肚子里面去。

Synchronized 使用

在 Java 中，如果要实现同步，Java 提供了一个关键词 synchronized 来让开发人员可以快速实现同步代码块。

public class Test {
    public static void main(String[] args){
        Object o = new Object();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            synchronized (o){
                System.out.println("获取锁成功");
            }
        }).start();
    }
}

线程 thread1 获取对象 o 的锁，并且输出一句话 “获取锁成功”。

public class Test {
    private int i = 0;
    public synchronized void set(int i){
        this.i = i;
    }
    public synchronized static String get(){
        return "静态方法";
    }
    public void put(){
        synchronized (this){
            System.out.println("同步代码块");
        }
    }
}

synchronized 关键字除了可以用于代码块，还可以用于方法上。用于实例方法上时，线程执行该方法之前，会自动获取该对象锁，获取到对象锁之后才会继续执行实例方法中的代码；用于静态方法上时，线程执行该方法之前，会自动获取该对象所属类的锁，获取到类锁之后才会继续执行静态方法中的代码。用于代码块上时，可以传入任意对象作为锁，并且可以控制锁的粒度。

synchronized 实现原理

下面是 Test 类的字节码文件

public class Test
  minor version: 0
  major version: 55
  flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
  this_class: #7                          // Test
  super_class: #8                         // java/lang/Object
  interfaces: 0, fields: 1, methods: 4, attributes: 1
Constant pool:
   #1 = Methodref          #8.#27         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #7.#28         // Test.i:I
   #3 = String             #29            // 静态方法
   #4 = Fieldref           #30.#31        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #5 = String             #32            // 同步代码块
   #6 = Methodref          #33.#34        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #7 = Class              #35            // Test
   #8 = Class              #36            // java/lang/Object
   #9 = Utf8               i
  #10 = Utf8               I
  #11 = Utf8               <init>
  #12 = Utf8               ()V
  #13 = Utf8               Code
  #14 = Utf8               LineNumberTable
  #15 = Utf8               LocalVariableTable
  #16 = Utf8               this
  #17 = Utf8               LTest;
  #18 = Utf8               set
  #19 = Utf8               (I)V
  #20 = Utf8               get
  #21 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #22 = Utf8               put
  #23 = Utf8               StackMapTable
  #24 = Class              #37            // java/lang/Throwable
  #25 = Utf8               SourceFile
  #26 = Utf8               Test.java
  #27 = NameAndType        #11:#12        // "<init>":()V
  #28 = NameAndType        #9:#10         // i:I
  #29 = Utf8               静态方法
  #30 = Class              #38            // java/lang/System
  #31 = NameAndType        #39:#40        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #32 = Utf8               同步代码块
  #33 = Class              #41            // java/io/PrintStream
  #34 = NameAndType        #42:#43        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #35 = Utf8               Test
  #36 = Utf8               java/lang/Object
  #37 = Utf8               java/lang/Throwable
  #38 = Utf8               java/lang/System
  #39 = Utf8               out
  #40 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #41 = Utf8               java/io/PrintStream
  #42 = Utf8               println
  #43 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
{
  public Test();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: aload_0
         5: iconst_0
         6: putfield      #2                  // Field i:I
         9: return
      LineNumberTable:
        line 5: 0
        line 7: 4
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      10     0  this   LTest;
  public synchronized void set(int);
    descriptor: (I)V
    flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: aload_0
         1: iload_1
         2: putfield      #2                  // Field i:I
         5: return
      LineNumberTable:
        line 10: 0
        line 11: 5
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       6     0  this   LTest;
            0       6     1     i   I
  public static synchronized java.lang.String get();
    descriptor: ()Ljava/lang/String;
    flags: (0x0029) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: ldc           #3                  // String 静态方法
         2: areturn
      LineNumberTable:
        line 14: 0
  public void put();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter
         4: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         7: ldc           #5                  // String 同步代码块
         9: invokevirtual #6                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        12: aload_1
        13: monitorexit
        14: goto          22
        17: astore_2
        18: aload_1
        19: monitorexit
        20: aload_2
        21: athrow
        22: return
      Exception table:
         from    to  target type
             4    14    17   any
            17    20    17   any
      LineNumberTable:
        line 18: 0
        line 19: 4
        line 20: 12
        line 21: 22
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      23     0  this   LTest;
      StackMapTable: number_of_entries = 2
        frame_type = 255 /* full_frame */
          offset_delta = 17
          locals = [ class Test, class java/lang/Object ]
          stack = [ class java/lang/Throwable ]
        frame_type = 250 /* chop */
          offset_delta = 4
}

我们通过查看字节码可以发现，synchronized 关键字作用在实例方法和静态方法上时，JVM 是通过 ACC_SYNCHRONIZED 这个标志来实现同步的。而作用在代码块时，而且通过指令 monitorenter 和 monitorexit 来实现同步的。monitorenter 是获取锁的指令，monitorexit 则是释放锁的指令。

对象头

通过上文我们已经知道，Java 要实现同步，需要通过获取对象锁。那么在 JVM中，是如何知道哪个线程已经获取到了锁呢？

要解释这个问题，我们首先需要了解一个对象的存储分布由以下三部分组成：

• 对象头（Header） ：由 Mark Word 和 Klass Pointer 组成
• 实例数据（Instance Data） ：对象的成员变量及数据
• 对齐填充（Padding） ：对齐填充的字节

Mark Word ****记录了对象运行时的数据：

• identity_hashcode：哈希码，只要获取了才会有
• age：GC分代年龄
• biased_lock： 1表示偏向锁，0表示非偏向锁
• lock 锁状态 ：01 无锁/偏向锁；00 轻量级锁；10 重量级锁；11 GC 标志
• 偏向线程 ID

当线程获取对象锁的时候，需要先通过对象头中的 Mark Word 判断对象锁是否已经被其他线程获取，如果没有，那么线程需要往对象头中写入一些标记数据，用于表示这个对象锁已经被我获取了，其他线程无法再获取到。如果对象锁已经被其他线程获取了，那么线程就需要进入到等待队列中，直到持有锁的线程释放了锁，它才有机会继续获取锁。

当一个线程拥有了锁之后，它便可以多次进入。当然，在这个线程释放锁的时候，那么也需要执行相同次数的释放动作。比如，一个线程先后3次获得了锁，那么它也需要释放3次，其他线程才可以继续访问。这也说明使用 synchronized 获取的锁，都是可重入锁。

字节序

我们知道了对象头的内存结构之后，我们还需要了解一个很重要的概念：字节序。它表示每一个字节之间的数据在内存中是如何存放的？如果不理解这个概念，那么在之后打印出对象头时，也会无法跟上述展示的对象头内存结构相互对应上。

字节序：大于一个字节的数据在内存中的存放顺序。

注意！注意！注意！这里使用了大于，也就是说一个字节内的数据，它的顺序是固定的。

• 大端序（BIG_ENDIAN）：高位字节排在内存的低地址处，低位字节排在内存的高地址处。符合人类的读写顺序
• 小端序（LITTLE_ENDIAN）：高位字节排在内存的高地址处，低位字节排在内存的低地址处。符合计算机的读取顺序

我们来举个例子：

有一个十六进制的数字：0x123456789。

使用大端序阅读：高位字节在前，低位字节在后。

使用小端序阅读：低位字节在前，高位字节在后。

既然大端序符合人类的阅读习惯，那么统一使用大端序不就好了吗？为什么还要搞出一个小端序来呢？

这是因为计算机都是先从低位开始处理的，这样处理效率比较高，所以计算机内部都是使用小端序。其实计算机也不知道什么是大端序，什么是小端序，它只会按顺序读取字节，先读第一个字节，再读第二个字节。

Java 中的字节序

我们可以通过下面这一段代码打印出 Java 的字节序：

public class ByteOrderPrinter {
    public static void main(String[] args){
        System.out.println(ByteOrder.nativeOrder());
    }
}

打印的结果为： LITTLE_ENDIAN。

因此，我们可以知道 Java 中的字节序为小端字节序。

如何阅读对象头

在理解了字节序之后，我们来看看如何阅读对象头。

首先，我们使用一个第三方类库 jol-core，我使用的是 0.10 版本，帮助我们打印出对象头的数据。

我们可以通过下面这一段代码打印出 Java 的对象头：

public class ObjectHeaderPrinter {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Test test = new Test();
        System.out.println("=====打印匿名偏向锁对象头=====");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(test).toPrintable());
        synchronized (test){
            System.out.println("=====打印偏向锁对象头=====");
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(test).toPrintable());
        }
    }
}

打印结果如下：

=====打印匿名偏向锁/无锁对象头=====
Test object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           50 6a 06 00 (01010000 01101010 00000110 00000000) (420432)
     12     4    int Test.i                                    0
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

=====打印偏向锁对象头=====
Test object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           05 a0 80 4b (00000101 10100000 10000000 01001011) (1266720773)
      4     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      8     4        (object header)                           50 6a 06 00 (01010000 01101010 00000110 00000000) (420432)
     12     4    int Test.i                                    0
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

我们把对象头的内存结构和对象头单独拿出来对照着解释一下：

// 匿名偏向锁/无锁
// 我们给每个字节都标上序号。
                a        b        c        d
05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
                e        f        g        h
00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
                i        j        k         l
50 6a 06 00 (01010000 01101010 00000110 00000000) (420432)

unused：25 位，它实际上的字节应该是：hgf + e 的最高位。

identity_hashcode：31 位，它实际上的字节应该是：e 的低 7 位 + dcb。

unused：1位，它实际上的字节应该是：a 的最高位。

age：4位，它实际上的字节应该是：a的第 4-7 位

biased_lock：1位，它实际上的字节应该是：a的第 3 位

lock：2位，它实际上的字节应该是：a的低 2 位。

我们再来看一个加了偏向锁的对象头：

// 偏向锁
                a        b        c        d
05 90 00 13 (00000101 10010000 00000000 00010011) (318803973)
                e        f        g        h
01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
                i        j        k        l
50 6a 06 00 (01010000 01101010 00000110 00000000) (420432)

偏向锁

偏向锁是 Java 为了提高获取锁的效率和降低获取锁的代价，而进行的一个优化。因为 Java 团队发现大多数的锁都只被一个线程获取。基于这种情况，就可以认为锁都只被一个线程获取，那么就不会存在多个线程竞争的条件，因此就可以不需要真正的去获取一个完整的锁。只需要在对象头中写入获取锁的线程 ID，用于表示该对象锁已经被该线程获取。

获取偏向锁，只要修改对象头的标记就可以表示线程已经获取了锁，大大降低了获取锁的代价。

当线程获取对象的偏向锁时，它的对象头：

threadId：获取了偏向锁的线程 ID

epoch：用于保存偏向时间戳

age：对象 GC 年龄

biased_lock：偏向锁标记，此时为 1

lock：锁标记，此时为 10

获取偏向锁

线程获取对象锁时，首先检查对象锁是否支持偏向锁，即检查 biased_lock 是否为 1；如果为 1，那么将会检查threadId 是否为 null，如果为 null，将会通过 CAS 操作将自己的线程 ID 写入到对象头中。如果成功写入了线程 ID，那么该线程就获取到了对象的偏向锁，可以继续执行后面的同步代码。

只有匿名偏向的对象才能进入偏向锁模式，即该对象还没有偏向任何一个线程（不是绝对的，存在批量重偏向的情况）。

释放偏向锁

线程是不会主动释放偏向锁的。只有当其它线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放偏向锁。

释放偏向锁需要在全局安全点进行。释放的步骤如下：

• 暂停拥有偏向锁的线程，判断是否处于同步代码块中，如果处于，则进行偏向撤销，并升级为轻量级锁。
• 如果不处于，则恢复为无锁状态。

由此可以知道，偏向锁天然是可重入的。

偏向撤销

偏向撤销主要发生在多个线程存在竞争，不再偏向于任何一个线程了。也就是说偏向撤销之后，将不会再使用偏向锁。具体操作就是将 Mark Work 中的 biased_lock 由 1 设置为 0 。 偏向撤销需要到达全局安全点才可以撤销，因为它需要修改对象头，并从栈中获取数据。因此偏向撤销也会存在较大的资源消耗。

想要撤销偏向锁，还不能对持有偏向锁的线程有影响，所以就要等待持有偏向锁的线程到达一个 safepoint 安全点,在这个安全点会挂起获得偏向锁的线程。

• 如果原持有偏向锁的线程依然还在同步代码块中，那么就会将偏向锁升级为轻量级锁。
• 如果原持有偏向锁的线程已经死亡，或者已经退出了同步代码块，那么直接撤销偏向锁状态即可。

对象的偏向锁被撤销之后，对象在未来将不会偏向于任何一个线程。

批量重偏向

我们可以想象，如果有 100 个对象都偏向于一个线程，此时如果有另外一个线程来获取这些对象的锁，那么这 100 个对象都会发生偏向撤销，而这 100 次偏向撤销都需要在全局安全点下进行，这样就会产生大量的性能消耗。

批量重偏向就是建立在撤销偏向会对性能产生较大影响情况下的一种优化措施。当 JVM 知道有大量对象的偏向锁撤销时，它就知道此时这些对象都不会偏向于原线程，所以会将对象重新偏向于新的线程，从而减少偏向撤销的次数。

当一个类的大量对象被同一个线程 T1 获取了偏向锁，也就是大量对象先偏向于该线程 T1。T1 同步结束后，另一个线程 T2 对这些同一类型的对象进行同步操作，就会让这些对象重新偏向于线程 T2。

在了解批量重偏向前，我们需要先了解一点其他知识：

JVM 会给对象的类对象 class 赋予两个属性，一个是偏向撤销计数器，一个是 epoch 值。

我们先来看一个例子：

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
*  @author  liuhaidong
*  @date  2023/1/6 15:06
*/
public class ReBiasTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
         //延时产生可偏向对象
        //默认4秒之后才能进入偏向模式，可以通过参数-XX:BiasedLockingStartupDelay=0设置
        Thread.sleep(5000);
        //创造100个偏向线程t1的偏向锁
        List<Test> listA = new ArrayList<>();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                Test a = new Test();
                synchronized (a) {
                    listA.add(a);
                }
            }
            try {
                //为了防止JVM线程复用，在创建完对象后，保持线程t1状态为存活
                Thread.sleep(100000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        t1.start();
        //睡眠3s钟保证线程t1创建对象完成
        Thread.sleep(3000);
        System.out.println("打印t1线程，list中第20个对象的对象头：");
        System.out.println((ClassLayout.parseInstance(listA.get(19)).toPrintable()));
        //创建线程t2竞争线程t1中已经退出同步块的锁
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            //这里面只循环了30次！！！
            for (int i = 0; i < 30; i++) {
                Test a = listA.get(i);
                synchronized (a) {
                    //分别打印第19次和第20次偏向锁重偏向结果
                    if (i == 18 || i == 19) {
                        System.out.println("第" + (i + 1) + "次偏向结果");
                        System.out.println((ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable()));
                    }
                    if (i == 10) {
                        // 该对象已经是轻量级锁，无法降级，因此只能是轻量级锁
                        System.out.println("第" + (i + 1) + "次偏向结果");
                        System.out.println((ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable()));
                    }
                }
            }
            try {
                Thread.sleep(10000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        t2.start();
        Thread.sleep(3000);
        System.out.println("打印list中第11个对象的对象头：");
        System.out.println((ClassLayout.parseInstance(listA.get(10)).toPrintable()));
        System.out.println("打印list中第26个对象的对象头：");
        System.out.println((ClassLayout.parseInstance(listA.get(25)).toPrintable()));
        System.out.println("打印list中第41个对象的对象头：");
        System.out.println((ClassLayout.parseInstance(listA.get(40)).toPrintable()));
    }
}

在 JDK8 中，-XX:BiasedLockingStartupDelay 的默认值是 4000；在 JDK11 中，-XX:BiasedLockingStartupDelay 的默认值是 0

• t1 执行完后，100 个对象都会偏向于 t1。
• t2 执行完毕之后，其中前 19 个对象都会撤销偏向锁，此时类中的偏向撤销计数器为19。但当撤销到第 20 个的时候，偏向撤销计数器为 20，此时达到 -XX:BiasedLockingBulkRebiasThreshold=20 的条件，于是将类中的 epoch 值 +1，并在此时找到所有处于同步代码块的对象，并将其 epoch 值等于类对象的 epoch 值。然后进行批量重偏向操作，从第 20 个对象开始，将会比较对象的 epoch 值是否等于类对象的 epoch 值，如果不等于，那么直接使用 CAS 替换掉 Mark Word 中的程 ID 为当前线程的 ID。

结论：

• 前 19 个对象撤销了偏向锁，即 Mark Word 中的 biased_lock 为 0，如果有线程来获取锁，那么先获取轻量级锁。
• 第 20 - 30 个对象，依然为偏向锁，偏向于线程 t2。
• 第 31 - 100 个对象，依然为偏向锁，偏向于线程 t1。

tech.youzan.com/javasuo-yu-…

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批量撤销偏向

当偏向锁撤销的数量达到 40 时，就会发生批量撤销。但是，这是在一个时间范围内达到 40 才会发生，这个时间范围通过 -XX:BiasedLockingDecayTime设置，默认值为 25 秒。

也就是在发生批量偏向的 25 秒内，如果偏向锁撤销的数量达到了 40 ，那么就会发生批量撤销，将该类下的所有对象都进行撤销偏向，包括后续创建的对象。如果在发生批量偏向的 25 秒内没有达到 40 ，就会重置偏向锁撤销数量，将偏向锁撤销数量重置为 20。

Hashcode 去哪了

我们通过 Mark Word 知道，在无锁状态下，如果调用对象的 hashcode() 方法，就会在 Mark Word 中记录对象的 Hashcode 值，在下一次调用 hashcode() 方法时，就可以直接通过 Mark Word 来得知，而不需要再次计算，以此来保证 Hashcode 的一致性。

但是获取了锁之后，就会修改 Mark Word 中的值，那么之前记录下来的 Hashcode 值去哪里了呢？

Lock Record

在解答这个问题之前，我们需要先知道一个东西：Lock Record。

当字节码解释器执行 monitorenter 字节码轻度锁住一个对象时，就会在获取锁的线程栈上显式或者隐式分配一个 Lock Record。换句话说，就是在获取轻量级锁时，会在线程栈上分配一个 Lock Record。这个 Lock Record 说直白一点就是栈上的一块空间，主要用于存储相关信息。

Lock Record 只要有三个作用：

• 持有 Displaced Word（就是对象的 Mark Word）和一些元信息用于识别哪个对象被锁住了。
• 解释器使用 Lock Record 来检测非法的锁状态
• 隐式地充当锁重入机制的计数器

那么这个 Lock Record 跟 Hashcode 有什么关系呢？

场景 1

我们先来看第一个场景：先获取对象的 hashcode，然后再获取对象的锁。

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
public class TestObject {
    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        // 步骤 1
        System.out.println("=====获取 hashcode 之前=====");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(test).toPrintable());
        test.hashCode();
        // 步骤 2
        System.out.println("=====获取 hashcode 之后=====");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(test).toPrintable());
        // 步骤 3
        synchronized (test){
            System.out.println("=====获取锁之后=====");
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(test).toPrintable());
        }
        // 步骤 4
        System.out.println("=====释放锁之后=====");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(test).toPrintable());
    }
}

运行结果：

=====获取 hashcode 之前=====
Test object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           50 6a 06 00 (01010000 01101010 00000110 00000000) (420432)
     12     4    int Test.i                                    0
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

=====获取 hashcode 之后=====
Test object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 0c 97 8b (00000001 00001100 10010111 10001011) (-1953035263)
      4     4        (object header)                           76 00 00 00 (01110110 00000000 00000000 00000000) (118)
      8     4        (object header)                           50 6a 06 00 (01010000 01101010 00000110 00000000) (420432)
     12     4    int Test.i                                    0
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

=====获取锁之后=====
Test object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           90 2a 90 6b (10010000 00101010 10010000 01101011) (1804610192)
      4     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      8     4        (object header)                           50 6a 06 00 (01010000 01101010 00000110 00000000) (420432)
     12     4    int Test.i                                    0
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

=====释放锁之后=====
Test object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 0c 97 8b (00000001 00001100 10010111 10001011) (-1953035263)
      4     4        (object header)                           76 00 00 00 (01110110 00000000 00000000 00000000) (118)
      8     4        (object header)                           50 6a 06 00 (01010000 01101010 00000110 00000000) (420432)
     12     4    int Test.i                                    0
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

• 步骤一：未获取对象的 hashcode 值之前，对象处于匿名偏向锁状态。锁标记为：101
• 步骤二：获取对象的 hashcode 之后，对象的偏向状态被撤销，处于无锁状态。锁标记为：001。对象头中也存储了 hashcode 值，hashcode 值为 0111011 10001011 10010111 00001100。
• 步骤三：获取锁之后，对象处于轻量级锁状态。锁标记为：00。其余 62 位为指向 Lock Record 的指针。从这里我们可以看到，Mark Word 中已经没有 hashcode 了。整块 Mark Word 的内容已经被复制到 Lock Word 中。
• 步骤四：释放锁之后，对象处于无锁状态。锁标记为：001。在 Mark Word 中也可以看到之前生成的 hashcode。与步骤二中的 Mark Word 一模一样。这是因为在释放锁之后，JVM 会将 Lock Record 中的值复制回 Mark Word 中，并删除 Lock Record。

结论：

• 当对象生成 hashcode 之后，会撤销偏向，并将 hashcode 记录在 Mark Word 中。
• 非偏向的对象获取锁时，会先在栈中生成一个 Lock Record。并将对象的 Mark Word 复制到 Lock Record 中。

场景2

我们现在来看第二个场景：先获取对象的锁，然后在同步代码块中生成 hashcode。

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
public class HashCode2 {
    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        // 步骤一
        System.out.println("=====获取锁之前=====");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(test).toPrintable());
        synchronized (test){
            // 步骤二
            System.out.println("=====获取锁之后，获取hashcode之前=====");
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(test).toPrintable());
            // 步骤三
            test.hashCode();
            System.out.println("=====获取锁之后，获取hashcode之后=====");
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(test).toPrintable());
        }
        // 步骤四
        System.out.println("=====释放锁之后=====");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(test).toPrintable());
    }
}

运行结果：

=====获取锁之前=====
Test object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           50 6a 06 00 (01010000 01101010 00000110 00000000) (420432)
     12     4    int Test.i                                    0
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

=====获取锁之后，获取hashcode之前=====
Test object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           05 90 80 3a (00000101 10010000 10000000 00111010) (981504005)
      4     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      8     4        (object header)                           50 6a 06 00 (01010000 01101010 00000110 00000000) (420432)
     12     4    int Test.i                                    0
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

=====获取锁之后，获取hashcode之后=====
Test object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           02 e8 83 2a (00000010 11101000 10000011 00101010) (713287682)
      4     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      8     4        (object header)                           50 6a 06 00 (01010000 01101010 00000110 00000000) (420432)
     12     4    int Test.i                                    0
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

=====释放锁之后=====
Test object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           02 e8 83 2a (00000010 11101000 10000011 00101010) (713287682)
      4     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      8     4        (object header)                           50 6a 06 00 (01010000 01101010 00000110 00000000) (420432)
     12     4    int Test.i                                    0
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

• 步骤一：未获取对象的 hashcode 值之前，对象处于匿名偏向锁状态。锁标记为：101
• 步骤二：进入同步代码块，线程获取了偏向锁。锁标记：101
• 步骤三：对象生成 hashcode，此时锁标记：10，直接从偏向锁升级为重量级锁。 其余 62 位为指向 objectMonitor 的指针。

与轻量级锁存在同样的问题，hashcode 会存放在哪里？每一个对象在 JVM 中都有一个 objectMonitor 对象，而 Mark Word 就存储在 objectMonitor 对象的 header 属性中。

轻量级锁

轻量级锁解决的场景是：任意两个线程交替获取锁的情况。主要依靠 CAS 操作，相比较于使用重量级锁，可以减少锁资源的消耗。

获取轻量级锁

使用轻量级锁的情况有以下几种：

• 禁用偏向锁。
• 偏向锁失效，升级为轻量级锁。

禁用偏向锁导致升级

在启动 Java 程序时，如果添加了 JVM 参数 -XX:-UseBiasedLocking ， 那么在后续的运行中，就不再使用偏向锁 。

偏向锁失效，升级为轻量级锁

如果对象发生偏向撤销时：

• 首先会检查持有偏向锁的线程是否已经死亡，如果死亡，则直接升级为轻量级锁，否则，执行步骤2
• 查看持有偏向锁的线程是否在同步代码块中，如果在，则将偏向锁升级为轻量级锁，否则，执行步骤3
• 修改 Mark Word 为非偏向模式，设置为无锁状态。

加锁过程

当线程获取轻量级锁时，首先会在线程栈中创建一个 Lock Record 的内存空间，然后拷贝 Mark Word 中的数据到 Lock Record 中。JVM 中将有数据的 Lock Record 叫做 Displated Mark Word。

Lock Record 在栈中的内存结构：

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当数据复制成功之后，JVM 将会使用 CAS 尝试修改 Mark Word 中的数据为指向线程栈中 Displated Mark Word 的指针，并将 Lock Record 中的 owner 指针指向 Mark Word。

如果这两步操作都更新成功了，那么则表示该线程获得轻量级锁成功，设置 Mark Word 中的 lock 字段为 00，表示当前对象为轻量级锁状态。同步，线程可以执行同步代码块。

如果更新操作失败了，那么 JVM 将会检查 Mark Word 是否指向当前线程的栈帧：

• 如果是，则表示当前线程已经获取了轻量级锁，会在栈帧中添加一个新的 Lock Record，这个新 Lock Record 中的 Displated Mark Word 为 null，owner 指向对象。这样的目的是为了统计重入的锁数量，因此，在栈中会有一个 Lock Record 的列表。完成这一步之后就可以直接执行同步代码块。

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• 如果不是，那么表示轻量级锁发生竞争，后续将会膨胀为重量级锁。

释放轻量级锁

释放轻量级锁时，会在栈中由低到高，获取 Lock Record。查询到 Lock Record 中的 Displated Mark Word 为 null 时，则表示，该锁是重入的，只需要将 owner 设置为 null 即可，表示已经释放了这个锁。如果 Displated Mark Word 不为 null，则需要通过 CAS 将 Displated Mark Word 拷贝至对象头的 Mark Word 中，然后将 owner 的指针设置为 null，最后修改 Mark Word 的 lock 字段为 01 无锁状态。

重量级锁

重量级锁解锁的场景是：多个线程相互竞争同一个锁。主要通过 park() 和 unpark()方法，结合队列来完成。相较于轻量级锁和偏向锁，需要切换内核态和用户态环境，因此获取锁的过程会消耗较多的资源。

获取重量级锁

使用重量级锁的情况有两种：

• 在持有偏向锁的情况下，直接获取对象的 hashcode，将会直接升级为重量级锁。
• 在轻量级锁的情况下，存在竞争，膨胀为重量级锁。

获取 hashcode，升级为重量级锁

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
public class HashCode2 {
    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        // 步骤一
        System.out.println("=====获取锁之前=====");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(test).toPrintable());
        synchronized (test){
            // 步骤二
            System.out.println("=====获取锁之后，获取hashcode之前=====");
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(test).toPrintable());
            // 步骤三
            test.hashCode();
            System.out.println("=====获取锁之后，获取hashcode之后=====");
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(test).toPrintable());
        }
    }
}

执行后的结果

=====获取锁之前=====
Test object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           50 6a 06 00 (01010000 01101010 00000110 00000000) (420432)
     12     4    int Test.i                                    0
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

=====获取锁之后，获取hashcode之前=====
Test object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           05 90 80 3a (00000101 10010000 10000000 00111010) (981504005)
      4     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      8     4        (object header)                           50 6a 06 00 (01010000 01101010 00000110 00000000) (420432)
     12     4    int Test.i                                    0
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

=====获取锁之后，获取hashcode之后=====
Test object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           02 e8 83 2a (00000010 11101000 10000011 00101010) (713287682)
      4     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      8     4        (object header)                           50 6a 06 00 (01010000 01101010 00000110 00000000) (420432)
     12     4    int Test.i                                    0
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

我们直接在偏向锁的同步代码块中执行 hashcode()，会发现偏向锁直接膨胀为重量级锁了。我们可以看到 lock 字段为 10。

这里有一个疑问，为什么不是升级为轻量级锁呢？轻量级锁也可以在 Lock Record 中存储生成的 hashcode。而膨胀为更为消耗资源的重量级锁。

轻量级锁膨胀为重量级锁

当处于轻量级锁的时候，说明锁已经不再偏向于任何一个线程，但是也没有发生竞争，可以依靠 CAS 获取到轻量级锁。但是当出现 CAS 获取锁失败时，就会直接膨胀为重量级锁。

这里需要注意，只会 CAS 一次，只要一次失败就会直接膨胀为重量级锁，而不是达到自旋次数或者自旋时间才膨胀。

膨胀过程

在膨胀过程中，会有几种标记来表示锁的状态：

• Inflated：膨胀已完成
• Stack-locked：轻量级锁
• INFLATING：膨胀中
• Neutral：无锁

膨胀步骤：

检查是否已经为重量级锁，如果是直接返回。

检查是否处于膨胀中的状态，如果是，循环检测状态。检测出膨胀中的状态是因为有其他线程正在进行膨胀，因为需要等待膨胀完成之后，才能继续执行。

检查是否为轻量级锁，如果是，则执行以下步骤：

• 创建一个 ObjectMonitor 对象。
• 通过 CAS 设置 Mark Word 为全 0，用以表示 INFLATING 状态。如果失败，则从步骤 1 重新开始执行。
• 将 Mark Word 设置到 ObjectMonitor 对象中。
• 设置 owner 属性为 Lock Record
• 设置 Mark Word 值

返回

• 判定为无锁状态，执行以下步骤：
• 创建一个 ObjectMonitor 对象。
• 通过 CAS 直接设置 Mark Word 值。
• 返回

竞争锁过程

我们要理解如何获取重量级锁，需要先了解 ObjectMonitor 对象。顾名思义，这是一个对象监视器。在 Java 中，每个对象都有一个与之对应的 ObjectMonitor 。ObjectMonitor 内部有几个重要的字段：

• cxq：存放被阻塞的线程
• EntryList：存放被阻塞的线程，在释放锁时使用
• WaitSet：获得锁的线程，如果调用 wait() 方法，那么线程会被存放在此处，这是一个双向循环链表
• onwer：持有锁的线程

cxq，EntryList 均为 ObjectWaiter 类型的单链表。

获取锁过程

• 通过 CAS 设置 onwer 为当前线程（尝试获取锁），CAS 的原值为 NULL，新值为 current_thread，如果成功，则表示获得锁。否则执行步骤 2
• 判断当前线程与获取锁线程是否一致，如果一致，则表示获得锁（锁重入）。否则执行步骤 3
• 判断当前线程是否为之前持有轻量级锁的线程，如果是，直接设置 onwer 为当前线程，表示获得锁。否则执行步骤 4

以上步骤都失败，则尝试一轮自旋来获取锁。如果未获取锁，则执行步骤 5

使用阻塞和唤醒来控制线程竞争锁

通过 CAS 设置 owner 为当前线程（尝试获取锁），CAS 的原值为 NULL，新值为 current_thread。如果成功，则表示获得锁。否则执行步骤 b

通过 CAS 设置 owner 为当前线程（尝试获取锁）CAS 的原值为 DEFLATER_MARKER，新值为 current_thread。如果成功，则表示获得锁。否则执行步骤c。（DEFLATER_MARKER 是一个锁降级的标记，后续会讲解。）

以上步骤都失败，则尝试一轮自旋来获取锁。如果未获取锁，则执行步骤 d。

为当前线程创建一个 ObjectWaiter 类型的 node 节点。步骤 i 和 ii 是一个循环，直到一个成功才会跳出这个循环。

通过 cas 插入 cxq 的头部，如果插入失败，则执行步骤 ii

通过 CAS 设置 owner 为当前线程（尝试获取锁），CAS 的原值为 NULL，新值为 current_thread。如果失败，则执行 i。

通过 CAS 设置 owner 为当前线程（尝试获取锁），CAS 的原值为 NULL，新值为 current_thread。如果成功，则表示获得锁。否则执行步骤 f。（该步骤往下开始是一个循环，直到获取到锁为止）

通过 park()，将线程阻塞。

线程被唤醒后

通过 CAS 设置 owner 为当前线程（尝试获取锁），CAS 的原值为 NULL，新值为 current_thread。如果成功，则表示获得锁。否则执行步骤 ii

通过 CAS 设置 owner 为当前线程（尝试获取锁）CAS 的原值为 DEFLATER_MARKER，新值为 current_thread。如果成功，则表示获得锁。否则执行 iii

尝试一轮自旋来获取锁。如果未获取锁，则跳转回步骤 e 执行。

自适应自旋锁主要是用于重量级锁中，降低阻塞线程概率。而不是用于轻量级锁，这里大家要多多注意。

释放重量级锁

释放锁过程

判断 _owner 字段是否等于 current_thread。如果等于则判断当前线程是否为持有轻量级锁的线程，如果是的话，表示该线程还没有执行 enter()方法，因此，直接设置 _owner 字段为 current_thread。

判断 _recursions，如果大于0，则表示锁重入，直接返回即可，不需要执行后续解锁代码。

设置 _owner 字段为 NULL，解锁成功，后续线程可以正常获取到锁。

唤醒其他正在被阻塞的线程。在执行以下操作之前需要使用该线程重新获取锁。如果获取锁失败，则表示锁已经被其他线程获取，直接返回，不再唤醒其他线程。（为什么还要获取到锁才可以唤醒其他线程呢？因为唤醒线程时，需要将 cxq 中的节点转移到 EntryList 中，涉及到链表的移动，如果多线程执行，将会出错。）

如何 _EntryList 非空，那么取 _EntryList 中的第一个元素，将该元素下的线程唤醒。否则执行步骤 b。

将 _cxq 设置为空，并将 _cxq 的元素按照原顺序放入 _EntryList 中。然后取 _EntryList 中的第一个元素，将该元素下的线程唤醒。

线程唤醒

设置 _owner 字段为 NULL，解锁成功，让后续线程可以正常获取到锁。

然后调用 unpark() 方法，唤醒线程。

wait()，notify()，notifyAll()

我们需要知道一个前提，在处理 wait 方法时，必须使用重量级锁。因此，wait 方法会导致锁升级。

我们先来看一个例子：

public class WaitTest {
    static final Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock){
                log("get lock");
                try {
                    log("wait lock");
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                log("get lock again");
                log("release lock");
            }
        }, "thread-A").start();
        sleep(1000);
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock){
                log("get lock");
                createThread("thread-C");
                sleep(2000);
                log("start notify");
                lock.notify();
                log("release lock");
            }
        }, "thread-B").start();
    }
    public static void createThread(String threadName) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock){
                log("get lock");
                log("release lock");
            }
        }, threadName).start();
    }
    private static void sleep(long sleepVal){
        try{
            Thread.sleep(sleepVal);
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
    private static void log(String desc){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + desc);
    }
}

最后打印的结果：

thread-A : get lock
thread-A : wait lock
thread-B : get lock
thread-B : start notify
thread-B : release lock
thread-A : get lock again
thread-A : release lock
thread-C : get lock
thread-C : release lock

• 线程 A 首先获取到锁，然后通过 wait() 方法，将锁释放，并且等待通知。
• 睡眠 1 S，这里是确保线程 A 可以顺利完成所有操作。
• 因为 A 释放了锁，所以线程 B 可以获取到锁。然后创建了线程 C。
• 因为线程 B 睡眠了 2S，依然持有锁，所以线程 C 无法获取到锁，只能继续等待。
• 线程 B 调用 notify() 方法，线程 A 被唤醒，开始竞争锁。
• 线程 A 和线程 C 竞争锁。

但是根据打印结果，无论执行多少次，都是线程 A 先获取锁。

第一个问题：为什么都是线程 A 先获取锁，而不是线程 C 先获取锁？

第二个问题：为什么 wait 方法并没有生成 monitorenter 指令，也可以获取到锁？

第三个问题：执行 wait 之后，线程去哪里了？它的状态是什么？

为了解答这些问题，我们需要深入到源码中去。但是这里就不放源码了，我只讲一下关键步骤：

wait()

• 膨胀为重量级锁
• 为 current_thread 创建 ObjectWaiter 类型的 node 节点
• 将 node 放入 _waitSet 中
• 释放锁
• 通过 park() 阻塞 current_thread。

notify()

检查 _waitSet 是否为 null，如果为 null，直接返回

获取 _waitSet 的第一个元素 node，并将其从链表中移除。

• 此时，存在三个策略：默认使用 policy = 2
• 插入到 EntryList 的头部（policy = 1）
• 插入到 EntryList 的尾部（policy = 0）
• 插入到 cxq 的 头部（policy = 2）

将 node 插入到 cxq 的头部。

notifyAll()

• 循环检测 _waitSet 是否不为空
• 如果不为空，则执行 notify() 的步骤。
• 否则返回

第一个问题：执行 wait 之后，线程去哪里了？它的状态是什么？

线程 A 调用 wait() 方法后，线程 A 就被 park 了，并被放入到 _waitSet 中。此时他的状态就是 WAITING。如果它从 _waitSet 移除，并被放入到 cxq 之后，那么他的状态就会变为 BLOCKED。如果它竞争到锁，那么他的状态就会变为 RUNNABLE 。

第二个问题：为什么 wait 方法并没有生成 monitorenter 指令，也可以获取到锁？

线程 A 调用 wait() 方法后，线程 A 被放入到 _waitSet 中。直到有其他线程调用 notify() 之后，线程 A 从 _waitSet 移除，并放入到 cxq 中。

第三个问题：为什么都是线程 A 先获取锁，而不是线程 C 先获取锁？

线程 A 调用 wait() 方法后，线程 A 被放入到 _waitSet 中。线程 B 获取锁，然后创建了线程 C，线程 C 竞争锁失败，被放入到 cxq 中。然后 B 调用 notify() 方法后，线程 A 从 _waitSet 移除，放入到 cxq 的头部。因此目前 cxq 的链表结构为：A -> C -> null。接着线程 B 释放锁，会将 cxq 中的元素按照原顺序放入到 EntryList 中，因此目前 cxq 链表结构为：null；EntryList 链表结构为：A -> C -> null。然后唤醒 EntryList 中的第一个线程。

所以，每次都是线程 A 先获取锁。

以上就是从 JVM 中深入探究 Synchronized作用及原理的详细内容，更多关于JVM探究Synchronized的资料请关注脚本之家其它相关文章！