JVM synchronized锁实现原理，看完还不懂算我输！！

# JVM synchronized锁实现原理，看完还不懂算我输！！！

> 本文将用代码带大家一探究竟，看看JVM究竟是如何实现线程同步以及锁的升级过程, jdk版本为`HotSpot 64bit 1.8.0_91`, Talking is cheap, show me the code!!!

## 一、synchronized关键字的实现

> 我们将一段java代码通过`javap -c -s`命令反编译一下看看

```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");

        }

    }

}

/*

    首先执行javac TestMonitor.java编译

    再执行 javap -c -s TestMonitor.class进行反编译

    结果如下：

    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

}

*/

```

我们可以看到，synchronized被编译后会生成两条指令，`monitorenter` 和 `monitorexit`,下面带大家看看这两条指令具体会做些什么操作

## 二、java对象在内存中的存储布局

> 在讲锁实现之前，我们需要了解java对象的布局，可以使用open-jdk的jol包，全称Java object layout，可以看到java对象在内存中的布局，maven地址:

```xml

<dependency>

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

    <artifactId>jol-core</artifactId>

    <version>0.10</version>

</dependency>

```

#### 我们看看下面程序运行结果

```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());

    }

}

/**运行结果

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

*

*/

```

#### 对象布局包含下面几个部分

1. markword（包含锁、GC、hashCode信息），占用8个字节

2. klass pointer （类型指针），开启指针压缩并且JVM内存小于32G时占用4个字节，未开启指针压缩或者JVM内存大于32G占用8个字节

3. 数组长度（数组对象才有）,占用4个字节

4. 成员变量数据（基本类型存的数据，对象类型存的引用指针）

5. padding（对齐，如果对象大小不是8的整数倍将补齐）

## 三、synchronized锁升级过程

> 锁信息存放在对象的markword中，下面是markword的结构

```text

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

|                                  Mark Word (64 bits)                          |      锁状态   |

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

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

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

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

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

|                        ptr_to_lock_record                            | lock:2 | 轻量级锁   |

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

|                    ptr_to_heavyweight_monitor                        | lock:2 | 重量级锁   |

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

```

#### 对象一共有五个状态

锁状态 | markword标志位

:---:|:---:

无锁 | 001

偏向锁 | 101

轻量级锁（自旋锁）| 00

重量级锁 | 10

标记GC | 11

代码演示标示位变化

```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("---------------无锁boundary-----------------");

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

        System.out.println("---------------无锁boundary-----------------");

        System.out.println("---------------偏向锁boundary-----------------");

        testLock.add(500);

        System.out.println("---------------偏向锁boundary-----------------");

        System.out.println("---------------轻量级锁boundary-----------------");

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

        t1.start();

        t1.join();

        System.out.println("---------------轻量级锁boundary-----------------");

        System.out.println("---------------重量级锁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("---------------重量级锁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));

    }

}

/*

    运行结果：

    ---------------无锁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

---------------无锁boundary-----------------

---------------偏向锁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

---------------偏向锁boundary-----------------

---------------轻量级锁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

---------------轻量级锁boundary-----------------

---------------重量级锁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

---------------重量级锁boundary-----------------

*/

```

> 注意在运行时需要加上JVM参数-XX:BiasedLockingStartupDelay=0,这个参数代表启动时就开启偏向锁.JVM默认会延迟几秒钟开启偏向锁，是因为JVM在启动时会有多线程锁竞争，而在偏向锁升级到轻量级锁时会有一系列的复杂过程，所以在明知道会有竞争的情况下干脆不启用偏向锁。

我们可以看到markword第6-8位的打印如下：

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

为什么没有看到无锁的001状态？

因为一旦开启了偏向锁后，创建对象默认会是匿名偏向状态，此时markword的threadId为空，001状态大家可以在上一个程序中看到

#### 转载请注明出处