Java Synchronize底层原理总结

对象内存结构

对象头：MarkWord 存储对象头的信息，Klass Word 描述对象实例的具体类型

实例数据：成员变量

对齐填充：如果对象头 + 实例变量 不是 8 的整数倍，则通过对齐填充补齐

MarkWord 解析

• hashcode：25位的对象标识Hash码
• age：对象分代年龄占4位
• biased_lock：偏向锁标识，占1位，0表示没有开始偏向锁，1表示开启了偏向锁
• thread：持有偏向锁的线程ID,占23位
• epoch：偏向时间戳，占2位
• ptr_to_lock_record：轻量级锁状态下，指向栈中锁记录的指针，占30位
• ptr_to_heavyweight_monitor：重量级锁状态下，指向对象监视器Monitor的指针，占30位

LockRecord 锁记录

Markword：记录锁记录的地址

对象引用：引用被加上锁了的对象

重量级锁

Monitor

Monitor 监视器，是由 jvm 提供的，由 C++ 实现的，有三个实现部分

WaitSet：调用了 wait 方法的线程在这里等待，处于 WAITED 状态

EntryList：没有抢到对象锁的线程在这里等待，处于 BLOCKED 状态

Owner：存储已经抢到锁的线程对象

Monitor 的实现属于重量级锁，涉及到 内核态和用户态的切换，线程的上下文切换，每个 Java 对象都会关联一个 Monitor 对象，如果使用 Synchronize 给该对象加锁，那么 Java 对象上面的 MarkWord 地址就被设置为指向该 Monitor 对象的指针

轻量级锁

加锁流程：

• 在线程栈中创建一个 Lock Record 对象，它的 object reference 字段指向锁对象
• 通过 CAS 指令把 Lock Record 的地址存放到对象头的 Markword 中，如果是无锁状态则修改成功，代表该线程获取了轻量级锁
• 如果当前线程已经持有该锁，就代表是一次锁重入，设置 Lock Record 的第一部分为 null，起到一个重入计数器的作用
• 如果 CAS 修改失败，则说明发生了竞争，需要膨胀为重量级锁

解锁过程：

• 遍历线程栈，找到所有 object reference 字段等于当前锁对象的 Lock record
• 如果 Lock record 的 MarkWord 为 null，代表这是一次重入，将 obj 设置为 null 后 continue 即可
• 如果 Lock record 的 Markword 不为 null，则利用 CAS 指令将对象头的 markword 与对象对象头的 markword 进行替换，如果成功则恢复为无锁状态，如果失败则膨胀为重量级锁

Markword 记录

开始时的状态

替换后的状态

偏向锁

背景：轻量级锁在没有竞争的时候，每次重入都需要进行 CAS 操作

Java 6 中 引入偏向锁来做进一步的优化：只有第一次 操才使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 markword 头，之后发现这个线程 ID 是自己就不会产生竞争，不用重新 CAS，以后只要不发生竞争，这个对象就归这个线程所有

代码示例：

public class Thread5 {
    private static final Object object = new Object();
    public static void method1() {
        synchronized (object) {
            method2();
        }
    }
    public static void method2() {
        synchronized (object) {
            method3();
        }
    }
    public static void method3() {
        synchronized (object) {
        }
    }
}

总结

Java 中的 Synchronize 有偏向锁、轻量级锁、重量级锁三种形式，分别对应了锁只被一个线程持有、不同线程交替持有锁、多线程竞争的情况

重量级锁：底层使用 Monitor 实现，里面涉及到了用户态和内核态的转换、进程的上下文切换，成本较高，性能比较低

轻量级锁：线程加锁时间是错开的（也就是没有竞争），可以用轻量级锁来优化，轻量级修改了对象头的锁标志，相对重量级锁性能提升了许多，每次修改都是 CAS 操作，保证原子性

偏向锁：一段很长的时间内都只被一个线程使用锁，可以使用偏向锁，第一次获得锁时，会有一个 CAS 操作，之后该线程再获取锁，只需要判断 mark word 中是否是自己的线程 id 即可，而不是开销相对较大的 CAS 命令

以上就是Java Synchronize底层原理总结的详细内容，更多关于Java Synchronize底层原理的资料请关注脚本之家其它相关文章！