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JDK成长记16：从0分析你不知道的synchronized底层原理（下）
上一节你了解了什么是CAS、synchronized形成的锁的类型、重量级锁是用户态进程向内核态申请资源加锁过程，HotSpot Java对象结构，以及初步从3个层面分析了下synchronized的核心流程。还记得核心流程图么？
如下所示：
这一节我们仔细来分析下这个过程中，每一步的底层原理。我们需要用到一个工具包，JOL，它可以将java对象的信息打印出来。你可以通过这个工具分析升级过程中锁的标记变化。
synchronized锁升级流程详解
synchronized锁升级流程详解
首先是我们看一下：
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偏向锁未启动：无锁态 new - > 普通对象。
-
偏向锁已启动：无锁态 new - > 匿名偏向锁。
我们来看个例子： 设置JVM参数，-XX:BiasedLockingStartupDelay=10 环境：JDK1.8
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.10</version>
</dependency>
public class HelloSynchronized {
public static void main(String[] args) {
Object object = new Object();
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
synchronized (object){
}
}
}
输出结果如下：
java.lang.Object 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) 00 10 00 00 (00000000 00010000 00000000 00000000) (4096)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
大端还是小端序？ System.out.println(ByteOrder.nativeOrder()); 可以查看当前cpu的字节序。输出是LITTLE_ENDIAN意味着是小端序 l 小端序：数据的高位字节存放在地址的高端 低位字节存放在地址低端 l 大端序： 数据的高位字节存放在地址的低端 低位字节存放在地址高端 比如一个整形0x1234567 ，1是高位数据，7是低位数据。按照小端序01放在内存地址的高位，比如放在0x100 ，23就放在0x101以此类推。大端序反之。
如下图：（图片来源于网络）
可以看到OFFSET为0-4的Obejct header 的Value中 0 01这个标记。
也就是说，Object o = new Object() 默认的锁 = 0 01 表示了无锁态 注意：如果偏向锁打开，默认是匿名偏向状态。
可以修改JVM参数-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。再次运行
java.lang.Object 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) 00 10 00 00 (00000000 00010000 00000000 00000000) (4096)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
可以看到OFFSET为0-4的Obejct header 的Value中 1 01这个标记。表示一个偏向锁，为什么说是匿名的呢？因为在JVM底层C++代码中，偏向锁默认有一个C++变量JavaThread指针，使用54位记录这个指针，从OFFSET为0-4的Obejct header 的Value中看到除了锁的标记为是101外，其余都是0，表示没有JavaThread指针无，所以是一个匿名偏向。
偏向锁未启动是指什么？ 偏向锁未启动指默认情况 偏向锁有个时延，默认是4秒（不同JDK版本可以不一样） 可以通过一个JVM参数控制，-XX:BiasedLockingStartupDelay=4。因为JVM虚拟机自己有一些默认启动的线程，里面有好多sync代码，这些sync代码启动时就知道肯定会有竞争，如果使用偏向锁，就会造成偏向锁不断的进行锁撤销和锁升级的操作，效率较低。
所以这个2个流程的变化如下图所示：
接着我们看往后看：
- 偏向锁已启动：无锁态 new - > 匿名偏向锁 - 》 偏向锁
- 偏向锁未启动：无锁态 new - > 普通对象 - 》 偏向锁
当执行到同步代码时候，有了明确的加锁线程，所以我们增加一行日志，打印Object的对象头信息，会发现，已经发生如下变化：
public class HelloSynchronized {
public static void main(String[] args) {
Object object = new Object();
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
synchronized (object){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
}
}
}
java.lang.Object 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) 00 10 00 00 (00000000 00010000 00000000 00000000) (4096)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 05 f8 ba 86 (00000101 11111000 10111010 10000110) (-2034567163)
4 4 (object header) b0 01 00 00 (10110000 00000001 00000000 00000000) (432)
8 4 (object header) 00 10 00 00 (00000000 00010000 00000000 00000000) (4096)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
可以看到OFFSET为0-4的Obejct header 的Value中 1 01这个标记之外，不在全部是0，说明已经不再是匿名偏向锁了。
如果原来不是匿名偏向锁，只是一个普通对象，进入synchronized代码块后，会直接变成偏向锁。如下图所示：
- 偏向锁未启动：无锁态 new - > 普通对象 - > 轻量级锁（自旋锁）
接下来我们看一下，无锁也有可能直接变成轻量级锁。设置JVM参数，-XX:BiasedLockingStartupDelay=10，在synchronized内部加入JOL的打印输出，就会打印如下对象信息：
//-XX:BiasedLockingStartupDelay=10
public static void main(String[] args) {
Object object = new Object();
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable()); //new-普通对象 0 01
synchronized (object){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable()); //new->轻量锁 00
}
}
java.lang.Object 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) 00 10 00 00 (00000000 00010000 00000000 00000000) (4096)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) e0 f0 9f 70 (11100000 11110000 10011111 01110000) (1889530080)
4 4 (object header) 2a 00 00 00 (00101010 00000000 00000000 00000000) (42)
8 4 (object header) 00 10 00 00 (00000000 00010000 00000000 00000000) (4096)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
此流程如下图所示：
- 偏向锁->轻量级锁（轻度竞争）
当有线程竞争锁时，会撤销偏向锁，升级轻量级锁。
//-XX:BiasedLockingStartupDelay=0
public static void main(String[] args) {
Object object = new Object();
System.out.println("初始化new");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable()); //101+全是0 匿名偏向锁
synchronized (object){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());//101+非0 偏向锁
}
new Thread(()->{
try {
Thread.sleep(1000);
synchronized (object){
System.out.println("t线程获取锁");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable()); //00 object被另一个线程加锁，发生竞争，偏向锁->轻量锁
}
} catch (InterruptedException e) {}
}).start();
}
java.lang.Object 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) 00 10 00 00 (00000000 00010000 00000000 00000000) (4096)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 05 20 cc 74 (00000101 00100000 11001100 01110100) (1959534597)
4 4 (object header) b3 01 00 00 (10110011 00000001 00000000 00000000) (435)
8 4 (object header) 00 10 00 00 (00000000 00010000 00000000 00000000) (4096)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) d8 f3 df 89 (11011000 11110011 11011111 10001001) (-1981811752)
4 4 (object header) 46 00 00 00 (01000110 00000000 00000000 00000000) (70)
8 4 (object header) 00 10 00 00 (00000000 00010000 00000000 00000000) (4096)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
可以看到锁的变化从匿名偏向->偏向->轻量锁。这里简单提下轻量锁的底层原理：
当变成轻量锁，如果有别的线程尝试获取锁，会在线程在自己的线程栈生成LockRecord C++对象，用CAS操作将markword中62位地址，使用引用（C++叫指针）指向自己这个线程的对应的LR对象，如果设置成功者得到锁，否则继续CAS执行循环自旋操作。（PS：轻量锁的底层是使用一个LockRecord C++对象，偏向使用的是JavaThread这个对象指针）
整个升级流程如下图所示：
- 偏向锁->重量级锁（重度竞争）
很早之前JDK判断竞争加剧的条件是：有线程超过10次自旋（可以通过-XX:PreBlockSpin） 或者自旋线程数超过CPU核数的一半。但是1.6之后，加入自适应自旋 Adapative Self Spinning的机制，由JVM自己控制升级重量级锁。
升级时，向操作系统申请资源，通过linux mutex申请互斥锁 , CPU从3级到0级系统调用，线程挂起，进入等待队列，等待操作系统的调度，然后再映射回用户空间。
//-XX:BiasedLockingStartupDelay=0
public static void main(String[] args) {
System.out.println(ByteOrder.nativeOrder());
Object object = new Object();
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable()); //101+全是0 匿名偏向锁
System.out.println("初始化new");
synchronized (object){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());//101+非0 偏向锁
}
for(int i=0;i<10;i++){
new Thread(()->{
try {
Thread.sleep(1000);
synchronized (object){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程获取锁");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable()); //10 object被多个线程竞争 ，偏向锁->重量锁
}
} catch (InterruptedException e) {}
}).start();
}
}
java.lang.Object 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) 00 10 00 00 (00000000 00010000 00000000 00000000) (4096)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
// 初始化new
java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 05 08 18 e4 (00000101 00001000 00011000 11100100) (-468187131)
4 4 (object header) 1f 02 00 00 (00011111 00000010 00000000 00000000) (543)
8 4 (object header) 00 10 00 00 (00000000 00010000 00000000 00000000) (4096)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
//Thread-0线程获取锁
java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 02 8f 57 ff (00000010 10001111 01010111 11111111) (-11038974)
4 4 (object header) 1f 02 00 00 (00011111 00000010 00000000 00000000) (543)
8 4 (object header) 00 10 00 00 (00000000 00010000 00000000 00000000) (4096)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
上面的代码可以看出，锁升级是从匿名偏向锁->偏向锁->重量锁的过程，JVM判断出for循环中创建了10个线程，竞争激烈，当线程获取锁的时候直接就是重量级锁。如下图所示：
最后一条线，轻量级锁到重量级锁的代码我就不演示了，当竞争加剧的时候，轻量级锁会升级为重量级锁的。
好了，到这里相信你对synchronized的锁升级流程已经理解的非常清楚了。接下来我们看一些锁升级过程中的一些原理和细节。
锁升级流程中的核心原理和细节
锁升级流程中的核心原理和细节
既然synchronized的锁机制和java对象头的结构密切相关，对象头中的markword有锁标记，分代年龄，指针引用等含义。接下来就让我们仔细分析下偏向锁、自旋锁、重量级锁它们的底层原理和对象头中的markword的联系。
偏向锁的基本原理
轻量锁的C++实现机制和可重入性（基于栈）
轻量锁的原理和偏向锁类似，只不过markWord中的指针是一个LockRecord，并且修改指针的操作为CAS，那个线程CAS设置成功就会获取锁。如下图所示：
synchronized的锁是可重入的，这样子类才可以调用父类的同步方法，不会出问题。使用同一个对象或者类也可以多次加synchronized的代码块。所以轻量锁重入性的实现是基于入栈LR对象，来记录重入次数的。如下所示：
重量锁的C++实现机制和可重入性（基于ObjectMonitor类似于AQS)
重量级锁的底层原理，是通过在Mark Word里就有一个指针，是指向了这个对象实例关联的monitor对象的地址，这个monitor是c++实现的，不是java实现的。这个monitor实际上是c++实现的一个ObjectMonitor对象，里面包含了一个_owner指针，指向了持有锁的线程。ObjectMonitor它的C++结构体如下：
// objectMonitor.hpp
ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0; // 重入次数
_waiters = 0,
_recursions = 0;
_object = NULL;
_owner = NULL; // 获得锁的线程
_WaitSet = NULL; // 调用wait()方法被阻塞的线程
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ;
FreeNext = NULL ;
_EntryList = NULL ; // Contention List中那些有资格成为候选人的线程被移到Entry List
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
_previous_owner_tid = 0;
}
ObjectMonitor里还有一个entrylist，想要加锁的线程全部先进入这个entrylist等待获取机会尝试加锁，实际有机会加锁的线程，就会设置_owner指针指向自己，然后对_count计数器累加1次。
各个线程尝试竞争进行加锁，此时竞争加锁是在JDK 1.6以后优化成了基于CAS来进行加锁，理解为跟之前的Lock API的加锁机制是类似的，CAS操作，操作_count计数器，比如说将_count值尝试从0变为1。
如果成功了，那么加锁成功了count加1，修改成；如果失败了，那么加锁失败了，就会进入waitSet等待。
然后释放锁的时候，先是对_count计数器递减1，如果为0了就会设置_owner为null，不再指向自己，代表自己彻底释放锁。
如果获取锁的线程执行wait，就会将计数器递减，同时_owner设置为null，然后自己进入waitset中等待唤醒，别人获取了锁执行类似notifyAll的时候就会唤醒waitset中的线程竞争尝试获取锁。
整个过程如下所示：
可能你会问，那尝试加锁这个过程，也就是对_count计数器累加操作，是怎么执行的？如何保证多线程并发的原子性呢？
很简单，这个地方count操作是一个类似于CAS的操作。
其实，你如果了解ReentrantLock底层的AQS机制，你就会发现，synchronized底层的实现和AQS差不多的。
只不过synchronized的底层是ObjectMonitor，它的地位就跟ReentrantLock里的AQS对应的实现Sync组件是差不多的。之后我们讲到ReentrantLock的时候你就会发现了。
为什么有自旋锁还需要重量级锁？
自旋是消耗CPU资源的，如果锁的时间长，或者自旋线程多，CPU会被大量消耗。
重量级锁有等待队列，所有拿不到锁的进入等待队列，不需要消耗CPU资源。
偏向锁是否一定比自旋锁效率高？
不一定，在明确知道会有多线程竞争的情况下，偏向锁肯定会涉及锁撤销revoke，会消耗系统资源，所以，在锁争用特别激烈的时候，用偏向锁未必效率高。还不如直接使用轻量级锁（自旋锁）。
比如JVM启动过程，会有很多线程竞争（已经明确），所以默认情况启动时不打开偏向锁，过一段儿时间再打开。
锁消除
public void add(String str1,String str2){
StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append(str1).append(str2);
}
我们都知道 StringBuffer 是线程安全的，因为它的关键方法都是被 synchronized 修饰过的，但我们看上面这段代码，我们会发现，sb 这个引用只会在 add 方法中使用，不可能被其它线程引用（因为是局部变量，栈私有），因此 sb 是不可能共享的资源，JVM 会自动消除 StringBuffer 对象内部的锁。
锁粗化
public String test(String str){
int i = 0;
StringBuffer sb = new StringBuffer():
while(i < 100){
sb.append(str);
i++;
}
return sb.toString():
}
JVM 会检测到这样一连串的操作都对同一个对象加锁（while 循环内 100 次执行 append，没有锁粗化的就要进行 100 次加锁/解锁），此时 JVM 就会将加锁的范围粗化到这一连串的操作的外部（比如 while 虚幻体外），使得这一连串操作只需要加一次锁即可。
wait和notify必须和sychronized一起使用！？
wait和notify必须和sychronized一起使用！？
wait和notify / notifyAll还是挺有用的，在多线程开发中和很多开源项目中。那么如何使用wait和notifyall呢？它们的作用主要是线程通信，所以某个线程可以用wait处于等待状态，其他线程可以用notify来通知它，或者说是唤醒它。
wait与notify实现的一个底层原理其实和synchronized的重量级锁原理类似，主要也是monitor对象。需要注意的是必须得对同一个对象实例进行加锁，这样的话，他们其实操作的才是通一个对象实例里的monitor相关的计数器、wait set。
换句话说，wait与notify，必须在synchronized代码块中使用。因为wait/notify底层都是C++代码，是针对ObjectMonitor进行操作的。
举个例子：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object o = new Object();
Thread waitThread = new Thread(() -> {
try {
synchronized (o) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程获取锁，进行wait操作");
o.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程继续执行，之后释放了锁");
}
} catch (InterruptedException e) {
}
});
waitThread.start();
Thread notifyThread =new Thread(()->{
try {
Thread.sleep(2000);
synchronized (o){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程获取锁,执行notify唤醒操作");
o.notify();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程继续执行，之后释放了锁");
}
} catch (InterruptedException e) {}
});
notifyThread.start();
}
上面代码的流程如下图所示：
上面过程涉及很多细节，需要仔细研究HotSpot C++代码，有兴趣的同学可以研究下wait和notify/notifyAll的C++代码。
大多情况下，核心还是掌握ObjectMonitor这个实现机制原理即可。你可能还有一些疑问，我找了一些wait和notify相关的常见的问题，供大家参考。
（以下转载自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/113851988）。
为何要加synchronized锁
从实现上来说，这个锁至关重要，正因为这把锁，才能让整个wait/notify玩转起来，当然我觉得其实通过其他的方式也可以实现类似的机制，不过hotspot至少是完全依赖这把锁来实现wait/notify的。
wait方法执行后未退出同步块，其他线程如何进入同步块
这个问题其实要回答很简单，因为在wait处理过程中会临时释放同步锁，不过需要注意的是当某个线程调用notify唤起了这个线程的时候，在wait方法退出之前会重新获取这把锁，只有获取了这把锁才会继续执行，想象一下，我们知道wait的方法是被monitorenter和monitorexit的指令包围起来，当我们在执行wait方法过程中如果释放了锁，出来的时候又不拿锁，那在执行到monitorexit指令的时候会发生什么？当然这可以做兼容，不过这实现起来还是很奇怪的。
为什么wait方法可能抛出nterruptedException异常
这个异常大家应该都知道，当我们调用了某个线程的interrupt方法时，对应的线程会抛出这个异常，wait方法也不希望破坏这种规则，因此就算当前线程因为wait一直在阻塞，当某个线程希望它起来继续执行的时候，它还是得从阻塞态恢复过来，因此wait方法被唤醒起来的时候会去检测这个状态，当有线程interrupt了它的时候，它就会抛出这个异常从阻塞状态恢复过来。
这里有两点要注意：
如果被interrupt的线程只是创建了，并没有start，那等他start之后进入wait态之后也是不能会恢复的
如果被interrupt的线程已经start了，在进入wait之前，如果有线程调用了其interrupt方法，那这个wait等于什么都没做，会直接跳出来，不会阻塞
被notify(All)的线程有规律吗
这里要分情况：
如果是通过notify来唤起的线程，那先进入wait的线程会先被唤起来
如果是通过nootifyAll唤起的线程，默认情况是最后进入的会先被唤起来，即LIFO的策略
notify执行之后立马唤醒线程吗
其实这个大家可以验证一下，在notify之后写一些逻辑，看这些逻辑是在其他线程被唤起之前还是之后执行，这个是个细节问题，可能大家并没有关注到这个，其实hotspot里真正的实现是退出同步块的时候才会去真正唤醒对应的线程，不过这个也是个默认策略，也可以改的，在notify之后立马唤醒相关线程。
notifyAll是怎么实现全唤起的
或许大家立马想到这个简单，一个for循环就搞定了，不过在jvm里没实现这么简单，而是借助了monitorexit，上面我提到了当某个线程从wait状态恢复出来的时候，要先获取锁，然后再退出同步块，所以notifyAll的实现是调用notify的线程在退出其同步块的时候唤醒起最后一个进入wait状态的线程，然后这个线程退出同步块的时候继续唤醒其倒数第二个进入wait状态的线程，依次类推，同样这这是一个策略的问题，jvm里提供了挨个直接唤醒线程的参数，不过都很罕见就不提了。
wait的线程是否会影响CPU的load负载么？
这个或许是大家比较关心的话题，因为关乎系统性能问题，wait/nofity底层是通过jvm里的park/unpark机制来实现的，在linux下这种机制又是通过pthread_cond_wait/pthread_cond_signal来玩的，因此当线程进入到wait状态的时候其实是会放弃cpu的，也就是说这类线程是不会占用cpu资源。
小结
小结
今天这一节成长记， 你应该掌握如下知识：
1) synchronized锁升级的整个详细的过程
锁的升级流程简单来说是，无锁->偏向锁->自旋锁->重量级锁，除此也有很多其他升级的分支。你一定要记住如下这个图就可以了。
2) synchronized不同锁的核心原理
JVM基于Markword的锁实现机制
偏向锁中的JavaThread指针的作用
轻量级锁（自旋锁）中的LockRecord的作用
重量级锁中的ObjectMonitor的作用
3) wait和notify的实现原理
4) synchronized锁、wait和notify相关细节问题
来源：https://www.cnblogs.com/fanmao/p/15440585.html
