synchronized 之谜

序言

本文给大家介绍一下 synchronized 关键字的部分原理。

class A {private String attr;
}

先引入一个问题：上面类 A 有一个属性 attr。当类 A 实例化之后的对象在内存中是如何表示的呢？

在内存中，Java 对象由三部分组成。其中包括对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）等部分。

对象头（Object Header）：对象头存储了对象的元数据信息，比如哈希码、锁状态、垃圾回收标记等。对象头的大小在 32 位和 64 位的 JVM 上可能会有所不同，通常占用 8 字节或更多的空间。
实例数据（Instance Data）：实例数据是对象的成员变量（字段）的实际存储区域。每个字段根据其类型占用不同的内存空间。例如，一个 int 类型的字段占用 4 字节，一个对象引用占用 4 字节（在 32 位 JVM 上）或 8 字节（在 64 位 JVM 上）。
对齐填充（Padding）：由于硬件要求数据在内存中的地址是对齐的，因此在实例数据和对象头之间可能存在一些填充字节，以保证对象的起始地址是对齐的。填充的大小通常是对象头和实例数据大小的倍数，以满足对齐要求。

对象头包含了两部分，分别是运行时元数据（Mark Word）和类型指针（Klass Word）。

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在 32 位的虚拟机中，对象头占 64 位。其中 Mark Word 占 32 位，Klass Word 占 32 位。

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在 64 位的虚拟机中，对象头占 128 位。其中 Mark Word 占 64 位，Klass Word 占 64 位。
接下来我们以 64 位的虚拟机为例。

对象头的 Mark Word 存储了对象的元信息，其中包括了对象的锁状态、GC（垃圾回收）相关信息等。 Mark Word 中通常用来表示对象的锁状态的部分称为锁标志位 (Lock Word)，它包含了对象的锁状态、线程 ID 等信息。

通常情况下，锁标志位可以有以下几种状态：

无锁状态：对象尚未被锁定，可以被任意线程访问。
偏向锁状态：对象已经被某个线程锁定，但是尚未涉及竞争。在这种状态下，MarkWord 中会记录拥有锁的线程 ID，并且对象的锁标志位中会设置偏向锁标志。
轻量级锁状态：多个线程竞争同一个锁，但尚未涉及到真正的阻塞，因此采用了一种轻量级的锁机制来进行竞争。在这种状态下，MarkWord 中会记录锁的指针，用于指向锁记录（Lock Record），并且对象的锁标志位中会设置轻量级锁标志。
重量级锁状态：当轻量级锁竞争不过，会升级为重量级锁，这时会涉及到阻塞和唤醒线程的操作。在这种状态下，MarkWord 中不再存储锁记录的指针，而是直接指向锁对象，并且对象的锁标志位中会设置重量级锁标志。
GC 标志位：有些 JVM 实现中，MarkWord 还可能包含 GC 相关的标志位，用于标记对象是否被回收等信息。

上图是 64 位虚拟机中无锁状态的 Mark Word。表示无锁是 Mark Word 的后三位（Mark Word 后三位 001 表示无锁），即：baised_lock 标志位是 0，Mark Word 最后两位是 01。

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上图是 64 位虚拟机中偏向锁状态的 Mark Word。表示偏向锁是 Mark Word 的后三位（后三位 101 表示偏向锁），即：baised_lock 标志位是 1，Mark Word 最后两位是 01。

上图是 64 位虚拟机中轻量级锁状态的 Mark Word。后两位 00 表示轻量级锁。

上图是 64 位虚拟机中重量级锁状态的 Mark Word。后两位 10 表示轻量级锁。

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上图是 64 位虚拟机中 GC 标志位的 Mark Word。后两位 11 表示 GC 标志位。

class A {private String attr;public void setAttr(String attr) {// 使用 synchronized 加锁synchronized (this) {this.attr = attr;}}
}

在上述代码中，setAttr() 方法中使用了 synchronized，其中锁住的是当前对象 A。

当使用 synchronized 锁住对象 A ，对象 A 未被使用时，对象 A 的 Mark Word 依旧没有改变（即 Mark Word 后三位是 001，无锁状态）。
当第一次有一个线程去访问对象 A 时，此时 Mark Word 的锁标志位会变成 101（即表示对象现在使用的偏向锁）。
若后面有少量其他线程也去获取对象 A 的锁，对象 A 会先撤销偏向锁，偏向锁撤销成功则尝试采用 CAS 加上轻量级锁，轻量级锁加锁成功则将 Mark Word 的锁标志位变成 00（即表示对象现在使用的轻量级锁）
若后面有更多的线程前来争抢对象 A 的锁，其他未抢到锁的线程就会发生 CAS 自旋。自旋超时之后，系统便判断当前对于该锁的竞争非常激烈，将会撤销轻量级锁，然后加上重量级锁，并将锁标志位相应地更新为重量级锁即 10

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