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【并发】并发锁机制-深入理解synchronized（二）-创新互联

【并发】并发锁机制-深入理解synchronized（二）

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synchronized 高级篇（底层原理）

一、查看synchronized的字节码指令序列

同步方法

同步代码块 

二、Monitor（管程/监视器）

MESA模型

wait()的正确使用姿势

notify() 和 notifyAll() 分别何时使用

关于 wait、notify、notifyAll的问题详解

Java语言的内置管程synchronized

Monitor机制在Java中的实现

图解Java中的Monitor机制

【思考】synchronized加锁加在对象上，锁对象是如何记录锁状态的？ 

三、对象的内存布局

【了解】什么是对象头？

【问】new Object() 在对象中占用几个字节？？？

四、使用JOL工具查看内存布局

导pom依赖

示例代码 

运行结果 

下一节——synchronized底层锁的优化解析

【并发】并发锁机制-深入理解synchronized（二） synchronized 高级篇（底层原理）

synchronized是JVM内置锁，基于Monitor机制实现。

这个Monitor就是管程的意思，它可以控制线程，让其陷入等待，或者将其唤醒！

synchronized 依赖底层操作系统的互斥原语Mutex（互斥量），它是一个重量级锁，性能较低。

因为，有使用到操作系统底层的原语Mutex，我们只能通过系统调用来使用它！所以，CPU要从用户态到内核态，它是一个很重的操作！

不过，在JVM内置锁在1.5之后版本做了重大的优化，如锁粗化（Lock Coarsening）、锁消除（Lock Elimination）、轻量级锁（Lightweight Locking）、偏向锁（Biased Locking）、自适应自旋（Adaptive Spinning）等技术来减少锁操作的开销，内置锁的并发性能已经基本与Lock持平。 

根据一些测试报告，在数据量不是很大的情况下，synchronized的性能大约只比ReentrantLock 差10%-20%！ 

一、查看synchronized的字节码指令序列

Java虚拟机通过一个同步结构支持方法和方法中的指令序列的同步：monitor

同步方法是通过方法中的access_flags（访问标志位）中设置ACC_SYNCHRONIZED标志来实现。

同步代码块是通过 monitorenter 和 monitorexit 来实现。两个指令的执行是JVM通过调用操作系统的互斥原语mutex来实现，被阻塞的线程会被挂起、等待重新调度，会导致“用户态和内核态”两个态之间来回切换，对性能有较大影响。

同步方法
private static int counter = 0;

public synchronized static void increment() {
    counter++;
}
public synchronized static void decrement() {
    counter--;
}

这里的synchronized加在方法上面，所以方法内部的指令没有发生变化！仅仅是加了一个标志位！

这边显示的是0x0029，其实是0x0001 + 0x0008+ 0x0020

同步代码块 
private static String lock = "";

public static void increment() {
    synchronized (lock) {
        counter++;
    }
}

public static void decrement() {
    synchronized (lock) {
        counter--;
    }
}

这里方法内部的指令发生的改变！

【问】为什么monitorexit指令有2次？ 

第一个monitorexit指令是同步代码块正常释放锁的一个标志

如果同步代码块中出现Exception或者Error，则会调用第二个monitorexit指令来保证释放锁

二、Monitor（管程/监视器）

Monitor在操作系统中就是管程，而在Java中，我们通常称它为监视器！

管程是指管理共享变量以及对共享变量操作的过程，让它们支持并发。

在Java 1.5之前，Java语言提供的唯一并发语言就是管程，Java 1.5之后提供的SDK并发包也是以管程为基础的！例如：JUC

synchronized关键字和wait()、notify()、notifyAll()这三个方法是Java中实现管程技术的组成部分。

MESA模型

在管程的发展史上，先后出现过三种不同的管程模型——Hasen模型、Hoare模型和MESA模型。

现在正在广泛使用的是MESA模型，介绍如下：

入口只允许一个线程通过，其余的现在入口等待队列中等待！这样子设计可以解决互斥的问题！ 

进去之后，里面还提供了条件变量，每个条件变量都对应有一个等待队列！

条件变量和其等待队列的作用是解决线程之间的同步问题！条件队列里面存的东西，可以理解为“被wait()” 的线程。

wait()的正确使用姿势

对于MESA管程来说，有一个编程范式：

while(条件不满足) {
  wait();
}

唤醒的时间和获取到锁继续执行的时间是不一致的，被唤醒的线程再次执行时可能条件又不满足了，所以循环检验条件。MESA模型的wait()方法还有一个超时参数，为了避免线程进入等待队列永久阻塞。 

我们可以看看Object类里面的对于 wait() 方法的注解描述：

确实需要将其放在循环里面。 

notify() 和 notifyAll() 分别何时使用

满足以下三个条件时，可以使用notify()，其余情况尽量使用notifyAll()：

  1. 所有等待线程拥有相同的等待条件；
  2. 所有等待线程被唤醒后，执行相同的操作；
  3. 只需要唤醒一个线程。
关于 wait、notify、notifyAll的问题详解

【面试题】notify() 和 notifyAll()方法的使用和区别_面向架构编程的博客-博客https://blog.csdn.net/weixin_43715214/article/details/128665586

Java语言的内置管程synchronized

Java 参考了 MESA 模型，语言内置的管程（synchronized）对 MESA 模型进行了精简。

MESA 模型中，条件变量可以有多个，Java 语言内置的管程里只有一个条件变量。

模型如下图所示：

Monitor机制在Java中的实现

java.lang.Object 类定义了 wait()，notify()，notifyAll() 方法，这些方法的具体实现，依赖于 ObjectMonitor 实现，这是 JVM 内部基于 C++ 实现的一套机制。

ObjectMonitor 其主要数据结构如下（hotspot源码ObjectMonitor.hpp）：

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL; //对象头  markOop
    _count        = 0;  
    _waiters      = 0,   
    _recursions   = 0;   // 锁的重入次数 
    _object       = NULL;  //存储锁对象
    _owner        = NULL;  // 标识拥有该monitor的线程（当前获取锁的线程） 
    _WaitSet      = NULL;  // 等待线程（调用wait）组成的双向循环链表，_WaitSet是第一个节点
    _WaitSetLock  = 0 ;    
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ; //多线程竞争锁会先存到这个单向链表中 （FILO栈结构）
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; //存放在进入或重新进入时被阻塞(blocked)的线程 (也是存竞争锁失败的线程)
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
    _previous_owner_tid = 0;
}

其中涉及到3种链表——cxq、WaitSet、EntryList

但是从队列中挑选一个线程进行唤醒，如何挑选？有没有什么原则？

这一方面比较复杂！具体看下文！！！

图解Java中的Monitor机制

首先，所有线程去竞争锁，竞争失败的线程会进入cxq（FILO）里面；

然后，持有锁的线程，执行后续逻辑，如果有 wait 方法，进入等待队列waitSet；

接下来，可能继续被唤醒，可能会进入cxq队列(栈)，也可能进入EntryList（这要看具体的策略！）

最后，再次竞争锁的时候，可能从cxq中获取，也可能从EntryList中获取！ 

默认策略

如果 EntryList为空，则将 cxq中的元素按原有顺序插入到EntryList，并唤醒第一个线程，也就是当EntryList为空时，是后来的线程先获取锁。（非公平！）

如果 EntryList不为空，直接从 EntryList 中唤醒线程。

【思考】synchronized加锁加在对象上，锁对象是如何记录锁状态的？ 

锁状态是被记录在每个对象的对象头（Mark Word）中！具体看下文！

三、对象的内存布局

Hotspot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和 对齐填充（Padding）

  • 对象头：比如 hash码，对象所属的年代，对象锁，锁状态标志，偏向锁（线程）ID，偏向时间，数组长度（数组对象才有）等。
  • 实例数据：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息；
  • 对齐填充：由于虚拟机要求 对象起始地址 必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐。

【了解】什么是对象头？

对象头是对象中最复杂的部分！HotSpot虚拟机的对象头包括：3个部分

（1）Mark Word 

用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32bit和64bit，官方称它为“Mark Word”。

图解32位的JVM的存储情况

图解64位的JVM的存储情况

虽然它们在不同位数的JVM中长度不一样，但是基本组成内容是一致的。

  • 锁标志位（lock）：区分锁状态，11时表示对象待GC回收状态, 只有最后2位锁标识(11)有效。
  • biased_lock：是否偏向锁，由于无锁和偏向锁的锁标识都是 01，没办法区分，这里引入一位的偏向锁标识位。
  • 分代年龄（age）：表示对象被GC的次数，当该次数到达阈值的时候，对象就会转移到老年代。大是15，所以是四位！
  • 对象的hashcode（hash）：运行期间调用System.identityHashCode()来计算，延迟计算，并把结果赋值到这里。当对象加锁后，计算的结果31位不够表示，在偏向锁，轻量锁，重量锁，hashcode会被转移到Monitor中。
  • 偏向锁的线程ID（JavaThread）：偏向模式的时候，当某个线程持有对象的时候，对象这里就会被置为该线程的ID。 在后面的操作中，就无需再进行尝试获取锁的动作。
  • epoch：偏向锁在CAS锁操作过程中，偏向性标识，表示对象更偏向哪个锁
  • ptr_to_lock_record：轻量级锁状态下，指向栈中锁记录的指针。当锁获取是无竞争的时，JVM使用原子操作而不是OS互斥。这种技术称为轻量级锁定。在轻量级锁定的情况下，JVM通过CAS操作在对象的标题字中设置指向锁记录的指针。
  • ptr_to_heavyweight_monitor：重量级锁状态下，指向对象监视器Monitor的指针。如果两个不同的线程同时在同一个对象上竞争，则必须将轻量级锁定升级到Monitor以管理等待的线程。在重量级锁定的情况下，JVM在对象的ptr_to_heavyweight_monitor设置指向Monitor的指针。

简单的来说就是：

enum { 
    locked_value             = 0,    //00 轻量级锁 
    unlocked_value           = 1,    //001 无锁
    monitor_value            = 2,    //10 监视器锁，也叫膨胀锁，也叫重量级锁
    marked_value             = 3,    //11 GC标记
    biased_lock_pattern      = 5     //101 偏向锁
}

图示如下：

（2）Klass Pointer

对象头的另外一部分是klass类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。默认开启压缩指针，4个字节（未开启是8个）

（3）数组长度（只有数组对象有）

如果对象是一个数组, 那在对象头中还必须有一块数据用于记录数组长度。 4字节

【问】new Object() 在对象中占用几个字节？？？

JDK8是默认开启压缩指针，如果该对象是数组，则对象头是16个字节；反之，只是一个普通对象，则对象头是12个字节

但是请注意，对于 new Object() 来说，首先它不是数组，则对象头为12个字节，其次它是一个空对象，则它的实例数据为0，但是一个对象所占的字节必须是8个字节的整数倍，所以对齐填充位要补4个字节！加起来一共是16个字节！

我们可以用JOL来佐证！详情如下： 

public class ObjectTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object obj = new Object();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
    }
}

四、使用JOL工具查看内存布局

查看普通 java对象的内部布局工具JOL(JAVA OBJECT LAYOUT)，使用此工具可以查看 new 出来的一个 java对象的内部布局，以及一个普通的java对象占用多少字节。 

导pom依赖
org.openjdk.joljol-core0.10
示例代码 
public class ObjectTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object obj = new Test();

        //查看对象内部信息
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
    }
}

class Test{
    private boolean flag;
    private long  p;
}
运行结果 

下一节——synchronized底层锁的优化解析

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