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1 synchronized的JVM底層原理實(shí)現(xiàn)的精簡(jiǎn)理解

    Java 虛擬機(jī)中的synchronized基于進(jìn)入和退出Monitor對(duì)象（也稱為管程或監(jiān)視器鎖）實(shí)現(xiàn)， 無(wú)論是顯式同步(synchronized作用在同步代碼塊，有明確的 monitorenter 和 monitorexit 指令) 還是隱式同步（synchronized作用在方法區(qū)，調(diào)用指令A(yù)CC_SYNCHRONIZED 標(biāo)志）都是如此，都是使得Monitor對(duì)象里面的count計(jì)數(shù)期增加或者減少來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后synchronized屬于重量級(jí)鎖，效率低下，因?yàn)楸O(jiān)視器鎖（monitor）是依賴于底層的操作系統(tǒng)的Mutex Lock來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換時(shí)需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對(duì)比較長(zhǎng)的時(shí)間，時(shí)間成本相對(duì)較高，這也是為什么早期的synchronized效率低的原因，ReentrantLock底層實(shí)現(xiàn)依賴于特殊的CPU指令，比如發(fā)送lock指令和unlock指令，不需要用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換，所以效率高（這里和volatile底層原理類似）。

2 Java對(duì)象頭與Monitor的理解

1）Java對(duì)象的構(gòu)成

在JVM中，對(duì)象在內(nèi)存中的布局分為三塊區(qū)域：對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)和對(duì)齊填充

    實(shí)例變量：類的屬性數(shù)據(jù)信息，包括父類的屬性信息。
    填充數(shù)據(jù)：虛擬機(jī)要求對(duì)象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，這里和C語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊還是有點(diǎn)不一樣。
    對(duì)象頭：jvm中采用2個(gè)字節(jié)來(lái)存儲(chǔ)對(duì)象頭(如果對(duì)象是數(shù)組則會(huì)分配3個(gè)字，多出來(lái)的1個(gè)字記錄的是數(shù)組長(zhǎng)度)，其主要結(jié)構(gòu)是由Mark Word 和 Class Metadata Address
 

32位JVM的Mark Word默認(rèn)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下

Mark Word默認(rèn)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)外，還有如下可能變化的結(jié)構(gòu)

2）monitor對(duì)象

輕量級(jí)鎖和偏向鎖是Java 6 對(duì) synchronized 鎖進(jìn)行優(yōu)化后新增加,重量級(jí)鎖也就是通常說synchronized的對(duì)象鎖，鎖標(biāo)識(shí)位為10，其中指針指向的是monitor對(duì)象,每個(gè)對(duì)象都存在著一個(gè) monitor 與之關(guān)聯(lián)，對(duì)象與其 monitor 之間的關(guān)系有存在多種實(shí)現(xiàn)方式，如monitor可以與對(duì)象一起創(chuàng)建銷毀或當(dāng)線程試圖獲取對(duì)象鎖時(shí)自動(dòng)生成，但當(dāng)一個(gè) monitor 被某個(gè)線程持有后，它便處于鎖定狀態(tài)。在Java虛擬機(jī)(HotSpot)中，monitor是由ObjectMonitor實(shí)現(xiàn)的，其主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下（位于HotSpot虛擬機(jī)源碼ObjectMonitor.hpp文件，C++實(shí)現(xiàn)的）
 

    ObjectMonitor() {
        _header       = NULL;
        _count        = 0; //記錄個(gè)數(shù)
        _waiters      = 0,
        _recursions   = 0;
        _object       = NULL;
        _owner        = NULL;
        _WaitSet      = NULL; //處于wait狀態(tài)的線程，會(huì)被加入到_WaitSet
        _WaitSetLock  = 0 ;
        _Responsible  = NULL ;
        _succ         = NULL ;
        _cxq          = NULL ;
        FreeNext      = NULL ;
        _EntryList    = NULL ; //處于等待鎖block狀態(tài)的線程，會(huì)被加入到該列表
        _SpinFreq     = 0 ;
        _SpinClock    = 0 ;
        OwnerIsThread = 0 ;
      }

ObjectMonitor中有兩個(gè)隊(duì)列，_WaitSet 和 _EntryList，用來(lái)保存ObjectWaiter對(duì)象列表( 每個(gè)等待鎖的線程都會(huì)被封裝成ObjectWaiter對(duì)象)，_owner指向持有ObjectMonitor對(duì)象的線程，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問一段同步代碼時(shí)，首先會(huì)進(jìn)入 _EntryList 集合，當(dāng)線程獲取到對(duì)象的monitor 后進(jìn)入 _Owner 區(qū)域并把monitor中的owner變量設(shè)置為當(dāng)前線程同時(shí)monitor中的計(jì)數(shù)器count加1，若線程調(diào)用 wait() 方法，將釋放當(dāng)前持有的monitor，owner變量恢復(fù)為null，count自減1，同時(shí)該線程進(jìn)入 WaitSe t集合中等待被喚醒。若當(dāng)前線程執(zhí)行完畢也將釋放monitor(鎖)并復(fù)位變量的值，以便其他線程進(jìn)入獲取monitor(鎖)

monitor對(duì)象存在于每個(gè)Java對(duì)象的對(duì)象頭中(存儲(chǔ)的指針的指向)，synchronized鎖便是通過這種方式獲取鎖的，也是為什么Java中任意對(duì)象可以作為鎖的原因，同時(shí)也是notify/notifyAll/wait等方法存在于頂級(jí)對(duì)象Object中的原因
3 synchronized作用于代碼塊

 synchronized作用代碼塊后反編譯的字節(jié)碼關(guān)鍵如下

    3: monitorenter  //進(jìn)入同步方法
    //..........省略其他  
    15: monitorexit   //退出同步方法
    16: goto          24
    //省略其他.......
    21: monitorexit //退出同步方法

從字節(jié)碼中可知同步語(yǔ)句塊的實(shí)現(xiàn)使用的是monitorenter 和 monitorexit 指令，其中monitorenter指令指向同步代碼塊的開始位置，monitorexit指令則指明同步代碼塊的結(jié)束位置，當(dāng)執(zhí)行monitorenter指令時(shí)，當(dāng)前線程將試圖獲取 objectref(即對(duì)象鎖) 所對(duì)應(yīng)的 monitor 的持有權(quán)，當(dāng) objectref 的 monitor 的進(jìn)入計(jì)數(shù)器為 0，那線程可以成功取得 monitor，并將計(jì)數(shù)器值設(shè)置為 1，取鎖成功。如果當(dāng)前線程已經(jīng)擁有 objectref 的 monitor 的持有權(quán)，那它可以重入這個(gè) monitor (關(guān)于重入性稍后會(huì)分析)，重入時(shí)計(jì)數(shù)器的值也會(huì)加 1。倘若其他線程已經(jīng)擁有 objectref 的 monitor 的所有權(quán)，那當(dāng)前線程將被阻塞，直到正在執(zhí)行線程執(zhí)行完畢，即monitorexit指令被執(zhí)行，執(zhí)行線程將釋放 monitor(鎖)并設(shè)置計(jì)數(shù)器值為0 ，其他線程將有機(jī)會(huì)持有 monitor 。值得注意的是編譯器將會(huì)確保無(wú)論方法通過何種方式完成，方法中調(diào)用過的每條 monitorenter 指令都有執(zhí)行其對(duì)應(yīng) monitorexit 指令，而無(wú)論這個(gè)方法是正常結(jié)束還是異常結(jié)束。為了保證在方法異常完成時(shí) monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正確配對(duì)執(zhí)行，編譯器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)異常處理器，這個(gè)異常處理器聲明可處理所有的異常，它的目的就是用來(lái)執(zhí)行 monitorexit 指令。從字節(jié)碼中也可以看出多了一個(gè)monitorexit指令，它就是異常結(jié)束時(shí)被執(zhí)行的釋放monitor 的指令
 
4 synchronized作用于方法

synchronized作用代碼塊后反編譯的字節(jié)碼關(guān)鍵如下

     descriptor: ()V
        //方法標(biāo)識(shí)ACC_PUBLIC代表public修飾，ACC_SYNCHRONIZED指明該方法為同步方法
        flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
        Code:

 JVM可以從方法常量池中的方法表結(jié)構(gòu)(method_info Structure) 中的 ACC_SYNCHRONIZED 訪問標(biāo)志區(qū)分一個(gè)方法是否同步方法。當(dāng)方法調(diào)用時(shí)，調(diào)用指令將會(huì) 檢查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 訪問標(biāo)志是否被設(shè)置，如果設(shè)置了，執(zhí)行線程將先持有monitor（虛擬機(jī)規(guī)范中用的是管程一詞）， 然后再執(zhí)行方法，最后再方法完成(無(wú)論是正常完成還是非正常完成)時(shí)釋放monitor。在方法執(zhí)行期間，執(zhí)行線程持有了monitor，其他任何線程都無(wú)法再獲得同一個(gè)monitor。如果一個(gè)同步方法執(zhí)行期間拋 出了異常，并且在方法內(nèi)部無(wú)法處理此異常，那這個(gè)同步方法所持有的monitor將在異常拋到同步方法之外時(shí)自動(dòng)釋放

5 synchronized的優(yōu)化

鎖的狀態(tài)總共有四種，無(wú)鎖狀態(tài)、偏向鎖、輕量級(jí)鎖和重量級(jí)鎖

其膨脹方向：無(wú)鎖——>偏向鎖——>輕量級(jí)鎖——>重量級(jí)鎖，并且膨脹方向不可逆。

1)  偏向鎖:

核心思想是，如果一個(gè)線程獲得了鎖，那么鎖就進(jìn)入偏向模式，此時(shí)Mark Word 的結(jié)構(gòu)也變?yōu)槠蜴i結(jié)構(gòu)，當(dāng)這個(gè)線程再次請(qǐng)求鎖時(shí)，無(wú)需再做任何同步操作，即獲取鎖的過程，這樣就省去了大量有關(guān)鎖申請(qǐng)的操作，從而也就提供程序的性能,對(duì)于沒有鎖競(jìng)爭(zhēng)的場(chǎng)合，偏向鎖有很好的優(yōu)化效果，畢竟極有可能連續(xù)多次是同一個(gè)線程申請(qǐng)相同的鎖。但是對(duì)于鎖競(jìng)爭(zhēng)比較激烈的場(chǎng)合，偏向鎖就失效了，因?yàn)檫@樣場(chǎng)合極有可能每次申請(qǐng)鎖的線程都是不相同的，因此這種場(chǎng)合下不應(yīng)該使用偏向鎖，否則會(huì)得不償失，需要注意的是，偏向鎖失敗后，并不會(huì)立即膨脹為重量級(jí)鎖，而是先升級(jí)為輕量級(jí)鎖。下面我們接著了解輕量級(jí)鎖
 

2)  輕量級(jí)鎖:

“對(duì)絕大部分的鎖，在整個(gè)同步周期內(nèi)都不存在競(jìng)爭(zhēng)”，注意這是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。需要了解的是，輕量級(jí)鎖所適應(yīng)的場(chǎng)景是線程交替執(zhí)行同步塊的場(chǎng)合，如果存在同一時(shí)間訪問同一鎖的場(chǎng)合，就會(huì)導(dǎo)致輕量級(jí)鎖膨脹為重量級(jí)鎖。

3) 、重量級(jí)鎖

重量級(jí)鎖是由輕量級(jí)鎖升級(jí)而來(lái)，當(dāng)同一時(shí)間有多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)鎖時(shí)，鎖就會(huì)被升級(jí)成重量級(jí)鎖，此時(shí)其申請(qǐng)鎖帶來(lái)的開銷也就變大

4) 、鎖消除

消除鎖是虛擬機(jī)另外一種鎖的優(yōu)化，這種優(yōu)化更徹底，在JIT編譯時(shí)，對(duì)運(yùn)行上下文進(jìn)行掃描，去除不可能存在競(jìng)爭(zhēng)的鎖