JUC- Synchronized原理

news2024/11/15 19:50:14

对象头概念

以 32 位虚拟机为例

Klass Word：指向类对象的指针，标明这个对象的类型

普通对象

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|                    Object Header (64 bits)                   |
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|       Mark Word (32 bits)          |   Klass Word (32 bits)  |
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数组对象，对象头比普通对象多了数组长度

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|                             Object Header (96 bits)                             |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
|        Mark Word(32bits)       |   Klass Word(32bits)  |  array length(32bits)  |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|

其中 Mark Word 结构为，以Normal状态为例，会存储对象的hashcode和永久代年龄，是否是偏向锁，加锁状态。

32位

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|                  Mark Word (32 bits)                  |        State       |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|    hashcode:25  | age:4 |   biased_lock:0   |   01    |       Normal       |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|thread:23|epoch:2| age:4 |   biased_lock:1   |   01    |       Biased       |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|          ptr_to_lock_record:30              |   00    | Lightweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|          ptr_to_heavyweight_monitor:30      |   10    | Heavyweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|                                             |   11    |    Marked for GC   |
|-------------------------------------------------------|--------------------|

64位

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|                          Mark Word (64 bits)                       |        State       |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| unused:25 | hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:0 |  01   |        Normal      |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| thread:54 |   epoch:2   | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 |  01   |        Biased      |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
|                    ptr_to_lock_record:62                   |  00   | Lightweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
|                 ptr_to_heavyweight_monitor:62              |  10   | Heavyweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
|                                                            |  11   |    Marked for GC   |
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原理之Monitor(锁)

Monitor 被翻译为监视器或管程

每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的 Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针

Monitor 结构如下

WaitSet：
EntryList：等待锁释放的阻塞线程
Owner：指向拥有锁的线程

刚开始 Monitor 中 Owner 为 null

当 Thread-2 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-2，Monitor中只能有一个 Owner，即保证线程安全。

在 Thread-2 上锁的过程中，如果 Thread-3，Thread-4，Thread-5 也来执行 synchronized(obj)，就会进入 EntryList BLOCKED

Thread-2 执行完同步代码块的内容，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争的时是非公平的，即不是先来先到，取决于具体的调度策略

图中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程，后面讲 wait-notify 时会分析

注意：

synchronized 必须是进入同一个对象的 monitor （即线程竞争的锁对象必须是相同的） 才有上述的效果

不加 synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

原理之 synchronized

static final Object lock = new Object();
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) {
    synchronized (lock) {
        counter++;
    }
}

具体做法为：

将 lock对象 MarkWord 置为 Monitor 指针
将 lock对象 MarkWord 重置，重置为hashcode，分代年龄，锁状态，是否为偏向锁，这部分信息都在Monitor中存储，释放锁时，从Monitor中获取重置即可，同时唤醒EntryList中的阻塞线程竞争锁。
同步代码块中出现异常，最后也会执行重置操作，并释放锁

对应的字节码为：

public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1
0: getstatic #2 // <- lock引用（synchronized开始）
3: dup
4: astore_1 // lock引用 -> slot 1
5: monitorenter // 将 lock对象 MarkWord 置为 Monitor 指针
6: getstatic #3 // <- i
9: iconst_1 // 准备常数 1
10: iadd // +1
11: putstatic #3 // -> i
14: aload_1 // <- lock引用
15: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
16: goto 24
19: astore_2 // e -> slot 2
20: aload_1 // <- lock引用
21: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
22: aload_2 // <- slot 2 (e)
23: athrow // throw e
24: return
Exception table:
from to target type
6 16 19 any
19 22 19 any
LineNumberTable:
line 8: 0
line 9: 6
line 10: 14
line 11: 24
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 25 0 args [Ljava/lang/String;
StackMapTable: number_of_entries = 2
frame_type = 255 /* full_frame */
offset_delta = 19
locals = [ class "[Ljava/lang/String;", class java/lang/Object ]
stack = [ class java/lang/Throwable ]
frame_type = 250 /* chop */
offset_delta = 4