JVM synchronized鎖實(shí)現(xiàn)原理珊拼，看完還不懂算我輸Ｊ成搿！澎现！

# JVM synchronized鎖實(shí)現(xiàn)原理仅胞，看完還不懂算我輸！Ｎ敉贰饼问！

> 本文將用代碼帶大家一探究竟，看看JVM究竟是如何實(shí)現(xiàn)線程同步以及鎖的升級過程, jdk版本為`HotSpot 64bit 1.8.0_91`, Talking is cheap, show me the code!!!

## 一揭斧、synchronized關(guān)鍵字的實(shí)現(xiàn)

> 我們將一段java代碼通過`javap -c -s`命令反編譯一下看看

```java

package com.ywzlp.demo;

/**

* Created by yuwei on 2020/6/6

*/

public class TestMonitor {

? ? public static void main(String[] args) {

? ? ? ? Object lock = new Object();

? ? ? ? synchronized (lock) {

? ? ? ? ? ? System.out.println("hello lock");

? ? ? ? }

? ? }

}

/*

? ? 首先執(zhí)行javac TestMonitor.java編譯

? ? 再執(zhí)行 javap -c -s TestMonitor.class進(jìn)行反編譯

? ? 結(jié)果如下：

? ? public class com.ywzlp.demo.TestMonitor {

? public com.ywzlp.demo.TestMonitor();

? ? descriptor: ()V

? ? Code:

? ? ? 0: aload_0

? ? ? 1: invokespecial #1? ? ? ? ? ? ? ? ? // Method java/lang/Object."<init>":()V

? ? ? 4: return

? public static void main(java.lang.String[]);

? ? descriptor: ([Ljava/lang/String;)V

? ? Code:

? ? ? 0: new? ? ? ? ? #2? ? ? ? ? ? ? ? ? // class java/lang/Object

? ? ? 3: dup

? ? ? 4: invokespecial #1? ? ? ? ? ? ? ? ? // Method java/lang/Object."<init>":()V

? ? ? 7: astore_1

? ? ? 8: aload_1

? ? ? 9: dup

? ? ? 10: astore_2

? ? ? 11: monitorenter

? ? ? 12: getstatic? ? #3? ? ? ? ? ? ? ? ? // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;

? ? ? 15: ldc? ? ? ? ? #4? ? ? ? ? ? ? ? ? // String hello lock

? ? ? 17: invokevirtual #5? ? ? ? ? ? ? ? ? // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V

? ? ? 20: aload_2

? ? ? 21: monitorexit

? ? ? 22: goto? ? ? ? ? 30

? ? ? 25: astore_3

? ? ? 26: aload_2

? ? ? 27: monitorexit

? ? ? 28: aload_3

? ? ? 29: athrow

? ? ? 30: return

? ? Exception table:

? ? ? from? ? to? target type

? ? ? ? ? 12? ? 22? ? 25? any

? ? ? ? ? 25? ? 28? ? 25? any

}

*/

```

我們可以看到莱革，synchronized被編譯后會生成兩條指令，`monitorenter` 和 `monitorexit`,下面帶大家看看這兩條指令具體會做些什么操作

## 二讹开、java對象在內(nèi)存中的存儲布局

> 在講鎖實(shí)現(xiàn)之前盅视，我們需要了解java對象的布局，可以使用open-jdk的jol包旦万，全稱Java object layout闹击，可以看到j(luò)ava對象在內(nèi)存中的布局，maven地址:

```xml

<dependency>

? ? <groupId>org.openjdk.jol</groupId>

? ? <artifactId>jol-core</artifactId>

? ? <version>0.10</version>

</dependency>

```

#### 我們看看下面程序運(yùn)行結(jié)果

```java

package com.ywzlp.demo;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

/**

* Created by yuwei on 2020/6/6

*/

public class TestLock {

? ? private int num;

? ? private String str;

? ? public static void main(String[] args) {

? ? ? ? TestLock testLock = new TestLock();

? ? ? ? System.out.println(ClassLayout.parseInstance(testLock).toPrintable());

? ? }

}

/**運(yùn)行結(jié)果

com.ywzlp.demo.TestLock 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)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 05 c1 00 f8 (00000101 11000001 00000000 11111000) (-134168315)

? ? 12? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? int TestLock.num? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0

? ? 16? ? 4? java.lang.String TestLock.str? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? null

? ? 20? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (loss due to the next object alignment)

Instance size: 24 bytes

Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

*

*/

```

#### 對象布局包含下面幾個部分

1. markword（包含鎖成艘、GC赏半、hashCode信息），占用8個字節(jié)

2. klass pointer （類型指針）淆两，開啟指針壓縮并且JVM內(nèi)存小于32G時占用4個字節(jié)断箫，未開啟指針壓縮或者JVM內(nèi)存大于32G占用8個字節(jié)

3. 數(shù)組長度（數(shù)組對象才有）,占用4個字節(jié)

4. 成員變量數(shù)據(jù)（基本類型存的數(shù)據(jù)，對象類型存的引用指針）

5. padding（對齊秋冰，如果對象大小不是8的整數(shù)倍將補(bǔ)齊）

## 三仲义、synchronized鎖升級過程

> 鎖信息存放在對象的markword中，下面是markword的結(jié)構(gòu)

```text

|--------------------------------------------------------------------------------|--------------------|

|? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Mark Word (64 bits)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? |? ? ? 鎖狀態(tài) ? |

|--------------------------------------------------------------------------------|--------------------|

| unused:25 | identity_hashcode:31 | cms_free:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |? ? ? ? 無鎖 ? |

|--------------------------------------------------------------------------------|--------------------|

| thread:54 |? ? ? epoch:2? ? ? ? | cms_free:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |? ? ? 偏向鎖 ? |

|--------------------------------------------------------------------------------|--------------------|

|? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ptr_to_lock_record? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? | lock:2 | 輕量級鎖 ? |

|--------------------------------------------------------------------------------|--------------------|

|? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ptr_to_heavyweight_monitor? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? | lock:2 | 重量級鎖 ? |

|--------------------------------------------------------------------------------|--------------------|

```

#### 對象一共有五個狀態(tài)

鎖狀態(tài) | markword標(biāo)志位

:---:|:---:

無鎖 | 001

偏向鎖 | 101

輕量級鎖（自旋鎖）| 00

重量級鎖 | 10

標(biāo)記GC | 11

代碼演示標(biāo)示位變化

```java

package com.ywzlp.demo;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

import java.util.ArrayList;

import java.util.List;

import java.util.concurrent.ExecutorService;

import java.util.concurrent.Executors;

import java.util.concurrent.Future;

/**

* -XX:BiasedLockingStartupDelay=0

* Created by yuwei on 2020/6/6

*/

public class TestLock {

? ? private int num;

? ? private String str;

? ? public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

? ? ? ? TestLock testLock = new TestLock();

? ? ? ? System.out.println("---------------無鎖boundary-----------------");

? ? ? ? System.out.println(ClassLayout.parseClass(TestLock.class).toPrintable(testLock));

? ? ? ? System.out.println("---------------無鎖boundary-----------------");

? ? ? ? System.out.println("---------------偏向鎖boundary-----------------");

? ? ? ? testLock.add(500);

? ? ? ? System.out.println("---------------偏向鎖boundary-----------------");

? ? ? ? System.out.println("---------------輕量級鎖boundary-----------------");

? ? ? ? Thread t1 = new Thread(() -> testLock.add(500));

? ? ? ? t1.start();

? ? ? ? t1.join();

? ? ? ? System.out.println("---------------輕量級鎖boundary-----------------");

? ? ? ? System.out.println("---------------重量級鎖boundary-----------------");

? ? ? ? ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);

? ? ? ? List<Future<?>> futureList = new ArrayList<>(2);

? ? ? ? for (int i = 0; i < 2; i++) {

? ? ? ? ? ? futureList.add(executorService.submit(() -> testLock.add(500)));

? ? ? ? }

? ? ? ? futureList.forEach(future -> {

? ? ? ? ? ? try {

? ? ? ? ? ? ? ? future.get();

? ? ? ? ? ? } catch (Exception ignored) {}

? ? ? ? });

? ? ? ? executorService.shutdown();

? ? ? ? futureList.clear();

? ? ? ? System.out.println("---------------重量級鎖boundary-----------------");

? ? }

? ? public synchronized void add(int timeToSleep) {

? ? ? ? if (timeToSleep > 0) {

? ? ? ? ? ? try {

? ? ? ? ? ? ? ? Thread.sleep(timeToSleep);

? ? ? ? ? ? } catch (InterruptedException ignored) {

? ? ? ? ? ? }

? ? ? ? }

? ? ? ? num++;

? ? ? ? System.out.println(ClassLayout.parseClass(TestLock.class).toPrintable(this));

? ? }

}

/*

? ? 運(yùn)行結(jié)果：

? ? ---------------無鎖boundary-----------------

com.ywzlp.demo.TestLock 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)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 05 c1 00 f8 (00000101 11000001 00000000 11111000) (-134168315)

? ? 12? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? int TestLock.num? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0

? ? 16? ? 4? java.lang.String TestLock.str? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? null

? ? 20? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (loss due to the next object alignment)

Instance size: 24 bytes

Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

---------------無鎖boundary-----------------

---------------偏向鎖boundary-----------------

com.ywzlp.demo.TestLock object internals:

OFFSET? SIZE? ? ? ? ? ? ? TYPE DESCRIPTION? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? VALUE

? ? ? 0? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (object header)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 05 48 80 25 (00000101 01001000 10000000 00100101) (629164037)

? ? ? 4? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (object header)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? fa 7f 00 00 (11111010 01111111 00000000 00000000) (32762)

? ? ? 8? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (object header)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 05 c1 00 f8 (00000101 11000001 00000000 11111000) (-134168315)

? ? 12? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? int TestLock.num? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1

? ? 16? ? 4? java.lang.String TestLock.str? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? null

? ? 20? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (loss due to the next object alignment)

Instance size: 24 bytes

Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

---------------偏向鎖boundary-----------------

---------------輕量級鎖boundary-----------------

com.ywzlp.demo.TestLock object internals:

OFFSET? SIZE? ? ? ? ? ? ? TYPE DESCRIPTION? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? VALUE

? ? ? 0? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (object header)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? f0 f7 4b 07 (11110000 11110111 01001011 00000111) (122419184)

? ? ? 4? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (object header)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 00 70 00 00 (00000000 01110000 00000000 00000000) (28672)

? ? ? 8? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (object header)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 05 c1 00 f8 (00000101 11000001 00000000 11111000) (-134168315)

? ? 12? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? int TestLock.num? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2

? ? 16? ? 4? java.lang.String TestLock.str? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? null

? ? 20? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (loss due to the next object alignment)

Instance size: 24 bytes

Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

---------------輕量級鎖boundary-----------------

---------------重量級鎖boundary-----------------

com.ywzlp.demo.TestLock object internals:

OFFSET? SIZE? ? ? ? ? ? ? TYPE DESCRIPTION? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? VALUE

? ? ? 0? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (object header)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3a b1 82 26 (00111010 10110001 10000010 00100110) (646099258)

? ? ? 4? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (object header)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? fa 7f 00 00 (11111010 01111111 00000000 00000000) (32762)

? ? ? 8? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (object header)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 05 c1 00 f8 (00000101 11000001 00000000 11111000) (-134168315)

? ? 12? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? int TestLock.num? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3

? ? 16? ? 4? java.lang.String TestLock.str? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? null

? ? 20? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (loss due to the next object alignment)

Instance size: 24 bytes

Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

com.ywzlp.demo.TestLock object internals:

OFFSET? SIZE? ? ? ? ? ? ? TYPE DESCRIPTION? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? VALUE

? ? ? 0? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (object header)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3a b1 82 26 (00111010 10110001 10000010 00100110) (646099258)

? ? ? 4? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (object header)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? fa 7f 00 00 (11111010 01111111 00000000 00000000) (32762)

? ? ? 8? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (object header)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 05 c1 00 f8 (00000101 11000001 00000000 11111000) (-134168315)

? ? 12? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? int TestLock.num? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4

? ? 16? ? 4? java.lang.String TestLock.str? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? null

? ? 20? ? 4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (loss due to the next object alignment)

Instance size: 24 bytes

Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

---------------重量級鎖boundary-----------------

*/

```

> 注意在運(yùn)行時需要加上JVM參數(shù)-XX:BiasedLockingStartupDelay=0,這個參數(shù)代表啟動時就開啟偏向鎖.JVM默認(rèn)會延遲幾秒鐘開啟偏向鎖剑勾，是因?yàn)镴VM在啟動時會有多線程鎖競爭埃撵，而在偏向鎖升級到輕量級鎖時會有一系列的復(fù)雜過程，所以在明知道會有競爭的情況下干脆不啟用偏向鎖虽另。

我們可以看到markword第6-8位的打印如下：

`101 -> 101 -> 000 -> 010 -> 010`

為什么沒有看到無鎖的001狀態(tài)暂刘？

因?yàn)橐坏╅_啟了偏向鎖后，創(chuàng)建對象默認(rèn)會是匿名偏向狀態(tài)洲赵，此時markword的threadId為空鸳惯，001狀態(tài)大家可以在上一個程序中看到

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