并发编程学习笔记02-Java并发机制的底层原理之synchronized

该并发学习系列以阅读《Java并发编程的艺术》一书的笔记为蓝本，汇集一些阅读过程中找到的解惑资料而成。这是一个边看边写的系列，有兴趣的也可以先自行购买此书学习。

synchronized实现同步的基础：Java中的每一个对象都可以作为锁。具体表现为三种形式：

• 对于普通同步方法，锁是当前实例对象。
• 对于静态同步方法，锁是当前类的Class对象。
• 对于同步方法块，锁是synchronized括号里配置的对象。

当一个线程试图访问同步代码块时，它首先必须得到锁，退出或抛出异常是必须释放锁。

JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，两者实现细节不同，但都可使用 monitoreneter 和 monitorexit 这两个指令来实现。

• monitorenter指令是在编译后插入到同步块的开始位置。
• monitorexit指令是插入到方法结束处和异常处。
• JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。
• 任何对象都有一个monitor与之关联，且当一个monitor被持有后，它将处于锁定状态。
• 程序执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权，即尝试获得对象的锁。

Java对象头

synchronized用的锁是存在Java对象头里的。

• 若对象是数组类型，则虚拟机用3字宽（Word）存储对象头；
• 若对象是非数组类型，则用2字宽存储对象头。

在32位虚拟机中，1字宽等于4字节，即32bit。依次，在64位虚拟机中，1子宽为64bit。

Java对象头组成如下：

32位JVM的Mark Word的默认存储结构如下：

运行期间，Mark Word 里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。可能会变成存储以下4种数据：

在64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的，其存储结构如下所示：

由此可见无锁状态和偏向锁状态时锁标志位均是01,只是在前面的1bit区域区分了当前是无锁状态还是偏向锁状态。

UseCompressedOops

64位的JVM将会比32位的JVM多耗费50%的内存。

从JDK 1.6 update14开始，64 bit JVM正式支持了

-XX:+UseCompressedOops 

这个可以压缩指针，起到节约内存占用的新参数。

oop即ordinary object pointer普通对象指针。开启该选项后，下列指针将压缩至32位：

• 1.每个Class的属性指针（即静态变量）
• 2.每个对象的属性指针（即对象变量）
• 3.普通对象数组的每个元素指针

当然不是所有指针都被压缩，一些特殊类型的指针JVM不会优化，比如：指向PermGen的Class对象指针（JDK8中指向元空间的Class对象指针）、本地变量、堆栈元素、入参、返回值和NULL指针等。

被压缩的还有数组对象头的Array Length 部分。

该指令原理是：解释器在解释字节码时，植入压缩指令。

关于JVM中的对象相关内容可查看：JVM-HotSpot虚拟机对象探秘
。

锁的升级与对比

Java SE 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，以及锁升级的概念。

JDK1.6中，锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态。

这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级。这种策略的目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

几种锁的优缺点对比如下：

偏向锁

大多数情况下锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一个线程多次获得,故为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。

当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录中存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。

• 若测试成功，表示线程已经获得了锁。
• 若测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1：
  若没有设置，则使用CAS竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

偏向锁的撤销

偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有正在执行的字节码）。

• 首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着。
• 如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态；
• 如果线程仍然活着，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录。
• 栈中的锁记录和对象头的Mark Word 要么重新偏向其他线程，要么恢复到无锁或标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。

关闭偏向锁

偏向锁在Java 6 和 Java 7里是默认启用的。但它在应用程序启动几秒后才激活。可以通过JVM参数来关闭延迟：

-XX:BiasedLockingStartupDelay=0

如果你确定应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态，可以通过JVM参数关闭偏向锁：

-XX:-UseBiasedLocking=false

设置后，程序默认会进入轻量级锁状态。

轻量级锁

线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间，并将对象中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为 Displaced Mark Word。

然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换位指向锁记录的指针：

• 如果成功，当前线程获得锁；
• 如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。

轻量级锁解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word 替换会到对象头：

• 若成功，表示没有竞争发生。
• 若失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。

因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋（比如获得锁的线程被阻塞了），一旦所升级成重量级锁，就不会再回到轻量级锁状态 。当锁处于这个状态下，其他线程试图获取锁时，都会被阻塞，当持有锁的线程被释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争。

重量级锁

重量锁在JVM中又叫对象监视器（Monitor），它很像C中的Mutex，除了具备Mutex互斥的功能，它还负责实现了Semaphore的功能，也就是说它至少包含一个竞争锁的队列，和一个信号阻塞队列（wait队列），前者负责做互斥，后一个用于做线程同步。

参考资料

1. JVM优化之压缩普通对象指针（CompressedOops）

2. Java对象头详解

3. 让我们来一起聊聊Java中的锁