Java并发之synchronized关键字深度解析（二）

前言

    本文继续【Java并发之synchronized关键字深度解析（一）】一文而来，着重介绍synchronized几种锁的特性。

一、对象头结构及锁状态标识

    synchronized关键字是如何实现的给对象加锁？首先我们要了解一下java中对象的组成。java中的对象由3部分组成，第一部分是对象头，第二部分是实例数据，第三部分是对齐填充。

    对齐填充：jvm规定对象的起始内存地址必须是8字节的整数倍，如果不够的话就用占位符来填充，此部分占位符就是对齐填充；

    实例数据：实例数据是对象存储的真正有效的信息-对象的成员变量信息（包括继承自父类的）；

    对象头：对象头由两部分组成，第一部分是对象的运行时数据（Mark Word），包括哈希吗、锁偏向标识、锁类型、GC分代年龄、偏向线程id等；第二部分是对象的类型指针(Kclass Word)，用于去堆中定位对象的实例数据和方法区中的类型数据。java对象的公共特性都在对象头中存放。

对象头存储内容如下所示（以64位操作系统为例）：

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|                                              Object Header (128 bits)                                        |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|                        Mark Word (64 bits)                                    |      Klass Word (64 bits)    |       
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|  unused:25 | identity_hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |     OOP to metadata object   |  无锁
|----------------------------------------------------------------------|--------|------------------------------|
|  thread:54 |         epoch:2      | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |     OOP to metadata object   |  偏向锁
|----------------------------------------------------------------------|--------|------------------------------|
|                     ptr_to_lock_record:62                            | lock:2 |     OOP to metadata object   |  轻量锁
|----------------------------------------------------------------------|--------|------------------------------|
|                     ptr_to_heavyweight_monitor:62                    | lock:2 |     OOP to metadata object   |  重量锁
|----------------------------------------------------------------------|--------|------------------------------|
|                                                                      | lock:2 |     OOP to metadata object   |    GC
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

其中lock:2表示有2bit控制锁类型，biased_lock:1表示1bit控制偏向锁状态，对应关系如下所示：

01：无锁（前面偏向锁状态为0时表示未锁定）

01：可偏向（前面偏向锁状态为1时表示可偏向）

00：轻量级锁

10：重量级锁

11：GC标记

    看到前两种状态时可能道友们会有些迷糊，先别着急，此处只要记住JVM的设计者们想用01状态来表示两种情况（无锁和可偏向），但是地球人都知道一个字符是无法做到标识两种状态的，所以他们就把前面一位暂时用不到的bit纳入进来，用前一位的值是0还是1来区分是无锁还是可偏向。

二、锁的信息打印

    下面我们先用代码验证一下这几种锁的存在（JVM默认开启偏向锁，默认的偏向锁启动时间为4-5秒后，所以先让主线程睡5秒再加锁能保证对象处于偏向锁的状态，此处也可以在VM Options中添加参数 【-XX:BiasedLockingStartupDelay=0】来让JVM取消延迟启动偏向锁（本文的示例均未设置此参数），其效果跟不改变VM Options只在main方法中让主线程先睡眠5秒是一样的）

 此外，要打印对象存储空间需要引入openjdk的jar包依赖

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.9</version>
</dependency>

User对象代码：

1 public class User {
2     public String name;
3     public byte age;
4 }

万事具备，下面开始测试:

1、无锁状态

先不睡眠五秒，此时偏向锁未开启，所以对象都是无锁状态（未加synchronized的情况下），打印无锁状态的对象（锁标识001）

 1 package com.mybokeyuan.lockDemo;
 2 
 3 import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
 4 
 5 public class LockClientTest {
 6     public static void main(String[] args) {
 7         User user = new User();
 8         System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
 9     }
10 }

输出结果：

com.mybokeyuan.lockDemo.User object internals:
 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4                    (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4                    (object header)                           43 c1 00 20 (01000011 11000001 00000000 00100000) (536920387)
     12     1               byte User.age                                  0
     13     3                    (alignment/padding gap)                  
     16     4   java.lang.String User.name                                 null
     20     4                    (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 4 bytes external = 7 bytes total

下面我们来解读一下这个打印结果。

通过TYPE DESCRIPTION可以知道，前三行打印的是对象头（object header），那么后面四行就是对象的实例数据和对其填充了。

先看第一行，VALUE中，标红的001表示当前对象是无锁状态，前面的0对应我们上面讲的可偏向锁状态为非偏向锁（如果是1表示偏向锁）。第三行存放的是对象指针。

第四行和第六行存放的是对象的两个成员变量，第五行空间用于填充age变量；第七行就是我们所说的对齐填充，使对象内存空间凑齐8字节的整数倍。

2、偏向锁状态

加上睡眠5秒

 1 package com.mybokeyuan.lockDemo;
 2 
 3 import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
 4 
 5 public class LockClientTest {
 6     public static void main(String[] args) {
 7         // 先睡眠5秒，保证开启偏向锁
 8         try {
 9             Thread.sleep(5000);
10         } catch (InterruptedException e) { // -XX:-UseBiasedLocking
11             e.printStackTrace(); // -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
12         }
13         User user = new User();
14         System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
15     }
16 }

看看打印结果：

com.mybokeyuan.lockDemo.User 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)                           43 c1 00 20 (01000011 11000001 00000000 00100000) (536920387)
     12     1               byte User.age                                  0
     13     3                    (alignment/padding gap)                  
     16     4   java.lang.String User.name                                 null
     20     4                    (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 4 bytes external = 7 bytes total

可以看到，锁状态为101可偏向锁状态了，只是由于未用synchronized加锁，所以线程id是空的。其余数据跟上述无锁状态一样。

偏向锁带线程id情况，代码如下：

 1 package com.mybokeyuan.lockDemo;
 2 
 3 import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
 4 
 5 public class LockClientTest {
 6     public static void main(String[] args) {
 7         // 先睡眠5秒，保证开启偏向锁
 8         try {
 9             Thread.sleep(5000);
10         } catch (InterruptedException e) { // -XX:-UseBiasedLocking
11             e.printStackTrace(); // -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
12         }
13         User user = new User();
14         synchronized (user) {
15             System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
16         }
17     }
18 }

输出结果：

com.mybokeyuan.lockDemo.User object internals:
 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4                    (object header)                           05 e8 d0 02 (00000101 11101000 11010000 00000010) (47245317)
      4     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4                    (object header)                           43 c1 00 20 (01000011 11000001 00000000 00100000) (536920387)
     12     1               byte User.age                                  0
     13     3                    (alignment/padding gap)                  
     16     4   java.lang.String User.name                                 null
     20     4                    (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 4 bytes external = 7 bytes total

可见第一行中后面不再是0了，有了线程id的值。

3、轻量级锁状态

再看看轻量锁，不睡眠5秒，直接用synchronized给对象加锁，此时触发的就是轻量锁。代码如下：

 1 package com.mybokeyuan.lockDemo;
 2 
 3 import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
 4 
 5 public class LockClientTest {
 6     public static void main(String[] args) {
 7         User user = new User();
 8         synchronized (user) {
 9             System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
10         }
11     }
12 }

打印结果：

com.mybokeyuan.lockDemo.User object internals:
 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4                    (object header)                           e8 f2 47 03 (11101000 11110010 01000111 00000011) (55046888)
      4     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4                    (object header)                           43 c1 00 20 (01000011 11000001 00000000 00100000) (536920387)
     12     1               byte User.age                                  0
     13     3                    (alignment/padding gap)                  
     16     4   java.lang.String User.name                                 null
     20     4                    (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 4 bytes external = 7 bytes total

可以看到锁的标识位为000，轻量级锁

4、重量级锁状态

最后看一下重量级锁，只有在锁竞争的时候才会变为重量级锁，代码如下：

 1 package com.mybokeyuan.lockDemo;
 2 
 3 import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
 4 
 5 public class LockClientTest {
 6     public static void main(String[] args) {
 7         User user = new User();
 8         System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
 9         Thread t1 = new Thread(() -> {
10             synchronized (user) {
11                 try {
12                     Thread.sleep(5000);// 睡眠，创造竞争条件
13                 } catch (InterruptedException e) {
14                     e.printStackTrace();
15                 }
16             }
17         });
18         t1.start();
19         Thread t2  = new Thread(() -> {
20             synchronized (user) {
21                 try {
22                     Thread.sleep(1000);
23                 } catch (InterruptedException e) {
24                     e.printStackTrace();
25                 }
26             }
27         });
28         t2.start();
29         System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
30     }
31 }

输出结果为：

com.mybokeyuan.lockDemo.User object internals:
 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4                    (object header)                           8a e4 ba 02 (10001010 11100100 10111010 00000010) (45802634)
      4     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4                    (object header)                           43 c1 00 20 (01000011 11000001 00000000 00100000) (536920387)
     12     1               byte User.age                                  0
     13     3                    (alignment/padding gap)                  
     16     4   java.lang.String User.name                                 null
     20     4                    (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 4 bytes external = 7 bytes total

可以看到锁状态为010，重量级锁。

5、调用hashCode会取消偏向

此外，如果通过Object对象的本地hashCode方法来获取对象的hashCode值，会使对象取消偏向锁状态

 1 public class LockClientTest {
 2     public static void main(String[] args) {
 3         // 先睡眠5秒，保证开启偏向锁
 4         try {
 5             Thread.sleep(5000);
 6         } catch (InterruptedException e) { // -XX:-UseBiasedLocking
 7             e.printStackTrace(); // -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
 8         }
 9         User user = new User();
10         System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
11         System.out.println(user.hashCode());
12         System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
13         
14     }
15 }

打印结果：

com.mybokeyuan.lockDemo.User 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)                           44 c1 00 20 (01000100 11000001 00000000 00100000) (536920388)
     12     1               byte User.age                                  0
     13     3                    (alignment/padding gap)                  
     16     4   java.lang.String User.name                                 null
     20     4                    (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 4 bytes external = 7 bytes total

460332449
com.mybokeyuan.lockDemo.User object internals:
 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4                    (object header)                           01 a1 1d 70 (00000001 10100001 00011101 01110000) (1880989953)
      4     4                    (object header)                           1b 00 00 00 (00011011 00000000 00000000 00000000) (27)
      8     4                    (object header)                           44 c1 00 20 (01000100 11000001 00000000 00100000) (536920388)
     12     1               byte User.age                                  0
     13     3                    (alignment/padding gap)                  
     16     4   java.lang.String User.name                                 null
     20     4                    (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 4 bytes external = 7 bytes total

可以看到，计算完对象的hashCode之后，该对象立即从偏向锁状态变为了无锁状态，即使后续给对象加锁，该对象也只会进入轻量级或者重量级锁状态，不会再进入偏向状态了。因为该对象一旦进行Object的hashCode计算，那么对象头中会保存这个hashCode，此时再也无法存放偏向线程的id了（因为对象头的长度无法同时存放hashCode和偏向线程id），所以此后该对象无法再进入偏向锁状态。

 三、锁膨胀过程

到这里，我们一起看完了synchronized给对象加的各种锁状态以及触发场景，下面我们梳理一下它们之间的关系。

 JVM启动后会默认开启偏向锁（默认4-5秒后开启），开启后，所有新建对象的对象头中都标识为101可偏向状态，且偏向线程id为0，表示处于初始化的偏向锁状态。此后一旦有线程对该对象使用了synchronized加锁，那么就会进入偏向锁状态，偏向线程id记录当前线程id；如果走完同步块之后，有另一个线程对该对象加锁，那么膨胀为轻量级锁，如果未走完同步块就有另一个线程试图给该对象加锁，那么会直接膨胀为（中间会有一个自旋锁的过程，此处略去）重量级锁。

1、开启偏向锁

                                                                                                             开启偏向的锁膨胀草图

下面演示一下对象从偏向锁膨胀为轻量级锁的过程：

package com.mybokeyuan.lockDemo;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class LockClientTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 先睡眠5秒，保证开启偏向锁
        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) { // -XX:-UseBiasedLocking
            e.printStackTrace(); // -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
        }
        User user = new User();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (user) {
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
            }
        });
        t1.start();
        t1.join(); // 确保t1执行完了再执行当前主线程
        synchronized (user) {
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
        }
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
    }
}

打印结果如下，可以看到user对象先是偏向锁，然后变为轻量级锁，最后走完同步块释放锁变为无锁状态。

com.mybokeyuan.lockDemo.User object internals:
 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4                    (object header)                           05 48 6c 1a (00000101 01001000 01101100 00011010) (443303941)
      4     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4                    (object header)                           44 c1 00 20 (01000100 11000001 00000000 00100000) (536920388)
     12     1               byte User.age                                  0
     13     3                    (alignment/padding gap)                  
     16     4   java.lang.String User.name                                 null
     20     4                    (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 4 bytes external = 7 bytes total

com.mybokeyuan.lockDemo.User object internals:
 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4                    (object header)                           c0 f0 1f 02 (11000000 11110000 00011111 00000010) (35647680)
      4     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4                    (object header)                           44 c1 00 20 (01000100 11000001 00000000 00100000) (536920388)
     12     1               byte User.age                                  0
     13     3                    (alignment/padding gap)                  
     16     4   java.lang.String User.name                                 null
     20     4                    (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 4 bytes external = 7 bytes total

com.mybokeyuan.lockDemo.User object internals:
 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4                    (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4                    (object header)                           44 c1 00 20 (01000100 11000001 00000000 00100000) (536920388)
     12     1               byte User.age                                  0
     13     3                    (alignment/padding gap)                  
     16     4   java.lang.String User.name                                 null
     20     4                    (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 4 bytes external = 7 bytes total

 2、关闭偏向锁

如果通过参数设置JVM不开启偏向锁，那么新创建的对象是001无锁状态，遇到synchronized同步块会变为轻量级锁，遇到锁竞争变为重量级锁。

                                                                                      关闭偏向的锁膨胀草图

四、重量级锁原理

    Java中synchronized的重量级锁，是基于进入和退出Monitor对象实现的。在编译时会将同步块的开始位置插入monitorenter指令，在结束位置插入monitorexit指令。当线程执行到monitorenter指令时，会尝试获取对象所对应的Monitor所有权，如果获取到了，即获取到了锁，会在Monitor的owner中存放当前线程的id，这样它将处于锁定状态，除非退出同步块，否则其他线程无法获取到这个Monitor。

后记

下一篇将是本小系列的最后一篇，着重介绍synchronized的批量重定向和批量撤销机制，如有不确切之处，欢迎继续拍砖。