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文章目录

一、 synchronized 关键字
二、Java对象结构
- 1. 对象头
- 2. 对象体
- 3. 对齐字节
- 4. 对象头中的字段长度
- 5. Mark Word 的结构信息
- 6. 使用 JOL 工具查看对象的布局
三、Java 内置锁机制
- 3.1 内置锁的演进过程
- - 1. 无锁状态
  - 2. 偏向锁状态
  - 3. 轻量级锁状态
  - 4. 重量级锁状态

一、 synchronized 关键字

在Java中，synchronized关键字通过内置锁（也称为监视器锁或互斥锁）机制实现线程间的互斥访问。具体来说，它确保在同一时刻只有一个线程能够执行特定的同步代码块或方法。

Java内置锁

每个对象都有一个与之关联的内置锁（monitor lock）。当一个线程进入synchronized方法或代码块时，它会尝试获取该对象的内置锁。如果成功获取到锁，则该线程可以继续执行；否则，线程将被阻塞并放入等待队列中，直到锁被释放。

锁的状态

无锁状态：对象处于未锁定状态，任何线程都可以尝试获取该对象的锁。

偏向锁状态：JVM优化的一种方式，在几乎没有竞争的情况下，锁会偏向于第一个获取它的线程，减少不必要的CAS操作。

轻量级锁状态：当有多个线程尝试获取同一个锁但竞争不激烈时，JVM会使用CAS操作来避免重量级锁带来的开销。

重量级锁状态：在高竞争情况下，锁会膨胀为重量级锁，涉及操作系统级别的线程挂起和恢复，带来较高的性能开销。

synchronized的使用方式有：

1. synchronized 修饰实例方法（非静态方法）

当一个实例方法被声明为synchronized时，它会锁定调用该方法的对象（即当前对象，this）。这意味着同一时间只能有一个线程执行这个实例方法。

public class SynchronizedExample {public synchronized void synchronizedInstanceMethod() {// 同步代码块System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is executing synchronized instance method.");try {Thread.sleep(1000); // 模拟工作负载} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}
}

2. synchronized 修饰静态方法

与同步实例方法类似，但同步静态方法锁定的是类的Class对象，而不是某个特定的对象实例。这意味着对于整个类的所有实例，同一时间只能有一个线程执行该静态同步方法。

public class SynchronizedExample {public static synchronized void synchronizedStaticMethod() {// 同步代码块System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is executing synchronized static method.");try {Thread.sleep(1000); // 模拟工作负载} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}
}

synchronizedStaticMethod方法是静态同步的，所以无论哪个实例调用了这个方法，都会锁定该类的Class对象。

3. synchronized 修饰代码块

有时你可能不想同步整个方法，而是只同步其中的一部分代码。这时可以使用同步代码块，它可以指定要锁定的对象。

public class SynchronizedExample {private final Object lock = new Object();public void someMethod() {synchronized(lock) {// 需要同步的代码块System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is executing synchronized block.");try {Thread.sleep(1000); // 模拟工作负载} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}

在这个例子中，我们定义了一个私有的lock对象，并在需要同步的代码块周围使用了synchronized(lock)。这种方式允许更细粒度地控制哪些代码需要同步，同时减少了不必要的同步开销。

二、Java对象结构

学习Java对象结构时，需要有 JVM的相关知识作为背景。

Java对象（Object实例）结构包括三部分：对象头、对象体和对齐字节。

1. 对象头

对象头包括三个字段：

Mark Word（标记字）：用于存储自身运行时的数据例，如GC标志位、哈希码、锁状态等信息。
Class Pointer（类对象指针）：用于存放此对象的元数据（InstanceKlass）的地址。虚拟机通过此指针可以确定这个对象是哪个类的实例。
Array Length（数组长度）：如果对象是一个Java数组，那么此字段必须有，用于记录数组长度的数据；如果对象不是一个Java数组，那么此字段不存在，所以这是一个可选字段。

2. 对象体

对象体包含了对象的实例变量（成员变量），用于成员属性值，包括父类的成员属性值。这部分内存按4字节对齐。

3. 对齐字节

对齐字节也叫作填充对齐，其作用是用来保证Java对象在所占内存字节数为8的倍数（8N bytes）。

并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。当对象实例数据部分没有对齐（8字节的整数倍）时，就需要通过对齐填充来补全。

HotSpot VM的内存管理要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。对象头本身是8的倍数，当对象的实例变量数据不是8的倍数，需要填充数据来保证8字节的对齐。

4. 对象头中的字段长度

Mark Word、Class Pointer、Array Length字段的长度都为JVM的一个Word（字）大小。

在32位JVM虚拟机中，字段长度都是是32位的；在64位JVM虚拟机中，字段长度都是64位的。

对于对象指针而言，如果JVM中对象数量过多，使用64位的指针将浪费大量内存。通过简单统计，64位的JVM将会比32位的JVM多耗费50%的内存。

为了节约内存可以使用选项+UseCompressedOops开启指针压缩。选项UseCompressedOops中的Oop部分为Ordinary object pointer（普通对象指针）的缩写。

如果开启UseCompressedOops选项，以下类型的指针将从64位压缩至32位：

Class对象的属性指针（即静态变量）。
Object对象的属性指针（即成员变量）。
普通对象数组的元素指针。

当然，也不是所有的指针都会压缩，一些特殊类型的指针不会压缩，比如指向PermGen（永久代）的Class对象指针（JDK 8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。

Mark Word的位长度不会受到OOP对象指针压缩选项的影响。

在堆内存小于32GB的情况下，64位虚拟机的UseCompressedOops选项是默认开启的，该选项表示开启Oop对象的指针压缩，会将原来64位的Oop对象指针压缩为32位。

手动开启Oop对象指针压缩的Java指令为：java -XX:+UseCompressedOops mainclass
手动关闭Oop对象指针压缩的Java指令为：java -XX:-UseCompressedOops mainclass

5. Mark Word 的结构信息

Java内置锁的涉及很多重要信息，这些都存放在对象结构中，并且存放于对象头的Mark Word字段中。Mark Word的位长度为JVM的一个Word大小，也就是说32位JVM的Mark Word为32位，4位JVM的Mark Word为64位。

Java内置锁的状态总共有4种，级别由低到高依次为：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。

其实在JDK 1.6之前，Java内置锁还是一个重量级锁，是一个效率比较低下的锁。

在JDK 1.6之后，JVM为了提高锁的获取与释放效率，对synchronized的实现进行了优化，引入了偏向锁、轻量级锁的实现，从此以后Java内置锁的状态就有了4种（无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁），并且这4种状态会随着竞争的情况逐渐升级，而且是不可逆的过程，即不可降级，也就是说只能进行锁升级（从低级别到高级别）。

1. 不同锁状态下的 Mark Word 字段结构

Mark Word字段的结构与Java内置锁的状态强相关。为了让Mark Word字段存储更多的信息，JVM将Mark Word的最低两个位设置为Java内置锁状态位，不同锁状态下的32位Mark Word结构：

在这里插入图片描述

64位的Mark Word与32位的Mark Word结构相似:

在这里插入图片描述

2. 64 位 Mark Word 的构成

由于目前主流的JVM都是64位，使用64位的Mark Word，接下来对64位的Mark Word中各部分的内容做具体介绍。

lock：锁状态标记位，占两个二进制位，由于希望用尽可能少的二进制位表示尽可能多的信息，所以设置了lock标记。该标记的值不同，整个Mark Word表示的含义不同。
biased_lock：对象是否启用偏向锁标记，只占1个二进制位。为1时表示对象启用偏向锁，为0时表示对象没有偏向锁。

lock和biased_lock两个标记位组合在一起，共同表示 Object实例处于什么样的锁状态。二者组合的含义如下：
在这里插入图片描述

age：4位的Java对象分代年龄。在GC中，如果对象在Survivor区复制一次，年龄增加1。当对象达到设定的阈值时，将会晋升到老年代。默认情况下，并行GC的年龄阈值为15，并发GC的年龄阈值为6。由于age只有4位，因此最大值为15，这就是-XX:MaxTenuringThreshold选项最大值为15的原因。
identity_hashcode：31位的对象标识HashCode（哈希码）采用延迟加载技术，当调用Object.hashCode()方法或者System.identityHashCode()方法计算对象的HashCode后，其结果将被写到该对象头中。当对象被锁定时，该值会移动到Monitor（监视器）中。
thread：54位的线程ID值为持有偏向锁的线程ID。
epoch：偏向时间戳。
ptr_to_lock_record：占62位，在轻量级锁的状态下指向栈帧中锁记录的指针。
ptr_to_heavyweight_monitor：占62位，在重量级锁的状态下，指向对象监视器的指针。

32位的Mark Word与64位Mark Word结构相似，这里不再赘述。

6. 使用 JOL 工具查看对象的布局

三、Java 内置锁机制

3.1 内置锁的演进过程

在JDK 1.6版本之前，所有的Java内置锁都是重量级锁。重量级锁会造成CPU在用户态和核心态之间频繁切换，所以代价高、效率低。

JDK 1.6版本为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”实现。所以，在JDK 1.6版本里内置锁一共有4种状态：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这些状态随着竞争情况逐渐升级。内置锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种能升级却不能降级的策略，其目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

1. 无锁状态

当一个对象刚刚创建时，它处于无锁状态（也称为自由状态）。这意味着没有任何线程试图获取该对象的锁，因此可以认为它是自由访问的。偏向锁标识位是0、锁状态01。无锁状态下对象的Mark Word如下：
在这里插入图片描述

2. 偏向锁状态

偏向锁是JVM的一种优化技术，主要针对锁只会被单个线程持有的场景。它的核心思想是假设锁总是由同一个线程获得，从而避免每次进入同步块时都进行昂贵的原子操作（如CAS操作）。
【重点】

“偏向”：指的是内置锁会偏向于当前已经占有过自己的线程。
无锁转变为偏向锁的过程：
1. 无锁转向偏向锁 ：当线程A第一次尝试获取内置锁时，如果此时对象处于无锁状态，并且没有其他线程竞争该锁，则JVM会将该对象的锁状态从无锁转变为偏向锁。在转变为偏向锁的过程中，JVM会在对象头中标记该锁为偏向锁，并记录下持有该锁的线程ID。
2. 尝试获取偏向锁 ：线程A再次尝试获取该内置锁时，可以直接进入，无需执行任何同步操作，因为系统“偏向”了这个线程。
3. 撤销偏向锁：在线程 A第二次获取内置锁之前，线程 B 尝试获取该内置锁，那么当前的偏向锁会被撤销，转而升级为轻量级锁或者根据竞争情况进一步升级为重量级锁。
原理：如果不存在线程竞争的一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向状态，此时Mark Word的结构变为偏向锁结构，锁对象的锁标志位（lock）被改为01，偏向标志位（biased_lock）被改为1，然后线程的ID记录在锁对象的Mark Word中（使用CAS操作完成）。以后该线程获取锁的时候判断一下线程ID和标志位，就可以直接进入同步块，连CAS操作都不需要，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提升了程序的性能。

偏向锁状态下对象的Mark Word具体如下：
在这里插入图片描述

3. 轻量级锁状态

当锁处于偏向锁状态，但是锁又被另一个线程所企图抢占时，偏向锁就会升级为轻量级锁。企图抢占的线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞抢锁线程，以便提高性能。
两个线程公平竞争，哪个线程先占有锁对象，锁对象的Mark Word就指向哪个线程的栈帧中的锁记录。

轻量级锁状态下对象的Mark Word如图所示：
在这里插入图片描述

自旋的基本思想是让一个线程不断地检查某个条件是否满足，而不是直接进入阻塞状态。

如果持有锁的线程能在很短时间内释放锁资源，那么那些等待竞争锁的线程就不需要做内核态和用户态之间的切换进入阻塞挂起状态，它们只需要不断地检查某个条件是否满足，等持有锁的线程释放锁后即可立即获取锁，这样就避免用户线程和内核切换的消耗。

但是，线程自旋是需要消耗 CPU的，如果一直获取不到锁，则线程也不能一直占用CPU自旋做无用功，所以需要设定一个自旋等待的最大时间。

轻量级锁主要有两种：普通自旋锁和自适应自旋锁。

普通自旋锁

所谓普通自旋锁，就是指当有线程来竞争锁时，抢锁线程会在原地循环等待，而不是被阻塞，直到那个占有锁的线程释放锁之后，这个抢锁线程才可以获得锁。

默认情况下，自旋的次数为10次，用户可以通过-XX:PreBlockSpin选项来进行更改。

自适应自旋锁

所谓自适应自旋锁，就是等待线程空循环的自旋次数并非是固定的，而是会动态地根据实际情况来改变自旋等待的次数，自旋次数由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。

自适应自旋锁的大概原理是：

如果抢锁线程在同一个锁对象上之前成功获得过锁，那么JVM就会认为这次自旋也很有可能再次成功，因此允许自旋等待持续相对更长的时间。
如果对于某个锁，抢锁线程在很少成功获得过，那么JVM将可能减少自旋时间甚至省略自旋过程，以避免浪费处理器资源。

自适应自旋解决的是“锁竞争时间不确定”的问题。自适应自旋假定不同线程持有同一个锁对象的时间基本相当，竞争程度趋于稳定。总的思想是：根据上一次自旋的时间与结果调整下一次自旋的时间。

JDK 1.6的轻量级锁使用的是普通自旋锁，且需要使用-XX:+UseSpinning选项手工开启。

JDK 1.7后，轻量级锁使用自适应自旋锁，JVM启动时自动开启，且自旋时间由JVM自动控制。

4. 重量级锁状态

重量级锁会让其他申请的线程之间进入阻塞，性能降低。重量级锁也就叫同步锁，这个锁对象Mark Word再次发生变化，会指向一个监视器对象，该监视器对象用集合的形式来登记和管理排队的线程。重量级锁状态下对象的Mark Word具体

在JVM中，每个对象都关联一个监视器，这里的对象包含了Object实例和Class实例。监视器是一个同步工具，相当于一个许可证，拿到许可证的线程即可以进入临界区进行操作，没有拿到则需要阻塞等待。重量级锁通过监视器的方式保障了任何时间只允许一个线程通过受到监视器保护的临界区代码。

核心原理

JVM中每个对象都会有一个监视器，监视器和对象一起创建、销毁。监视器相当于一个用来监视这些线程进入的特殊房间，其义务是保证（同一时间）只有一个线程可以访问被保护的临界区代码块。

本质上，监视器是一种同步工具，也可以说是一种同步机制，主要特点是：

同步。监视器所保护的临界区代码是互斥地执行的。一个监视器是一个运行许可，任一个线程进入临界区代码都需要获得这个许可，离开时把许可归还。
协作。监视器提供Signal机制，允许正持有许可的线程暂时放弃许可进入阻塞等待状态，等待其他线程发送Signal去唤醒；其他拥有许可的线程可以发送Signal，唤醒正在阻塞等待的线程，让它可以重新获得许可并启动执行。