synchronized鎖更新原理

Java對象的記憶體結構

對象記憶體結構

在64位作業系統下，

MarkWord（下圖_mark）占64位

KlassWord(下圖_klass)占32位   64位系統的Klass Word不是32位，預設64位，開啟指針壓縮後為32（感謝評論老哥的指出）

64位系統的Klass Word不是32位，預設64位，開啟指針壓縮後為32

_lengh(隻有資料對象才有，不考慮)

執行個體資料（下圖instance data）看參數的類型，int就占32位（4byte）

補齊（padding）是JVM規定java對象記憶體必須是8byte的倍數，如果執行個體資料占2byte，那麼（64bit的Markword+32bit的Klassword+執行個體資料32bit）=128bit=16byte是8byte的倍數，是以padding部分為0。

檢視對象記憶體結構

JDK8

<dependency>
            <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
            <artifactId>jol-core</artifactId>
            <version>0.9</version>
        </dependency>      

public class SynchronizedDemo {
  public static void main(String[] args) {
    Dog dog = new Dog();
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(dog).toPrintable());
  }
}

class Dog {
  char age;
}      

如上圖所示，對象頭中的MarkWord占8byte,KlassWord占4個byte，執行個體屬性age是char類型占2個byte,那麼此時加起來為14byte，為了滿足是8的倍數，要補充2個byte。

下圖是當Dog對象裡的age變為int時列印的結果，請自行對比。

對象頭

下圖是引自《深入了解Java虛拟機：JVM進階特性與最佳實踐（第3版） 周志明》中的一個圖，下圖是32作業系統下的對象頭中的Mark Word（32位），Klass Word(32位),一共是64位。

64作業系統下，Mark Word的長度是64，在加Klass Word(32位)，一共是96位，其實對象頭長什麼樣其實不是本文的重點，本文的重點是驗證鎖更新的過程，是以我們隻需要關注對象頭中Mark Word的最後3位即可，如下圖中的後3位。

鎖更新的過程

鎖狀态	25bit	4bit	1bit	2bit
23bit	2bit	是否偏向鎖	鎖标志位
1	無鎖	對象的HashCode	分代年齡	01
2	無鎖	對象的HashCode	分代年齡	1	01
3	偏向鎖	線程ID	Epoch	分代年齡	1	01
4	輕量級鎖	指向棧中鎖記錄的指針	00
5	重量級鎖	指向重量級鎖的指針	10
6	GC标記	空	11

前提

由于大小端引起的問題，使得這裡展示的高低位相反，如下圖所示，是以我要關注的就是⑧位置的最後3位足矣。

無鎖狀态

public class SynchronizedDemo {
  public static void main(String[] args) {
    Dog dog = new Dog();
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(dog).toPrintable());
  }
}      

如下圖所示，001表示的無鎖狀态并且不允許偏向 （其實預設是開啟偏向的，隻不過虛拟機後在運作後幾秒才開啟偏向鎖）

使用下面的參數，如下圖所示 ，會發現狀态為101，表示無鎖狀态

-XX:BiasedLockingStartupDelay=0      

由無鎖狀态---->偏向鎖狀态

單線程通路鎖的時候，鎖由無鎖狀态變為偏向鎖狀态。

// -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
public class SynchronizedDemo {
  public static void main(String[] args) {
    Dog dog = new Dog();
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(dog).toPrintable());
    //上鎖
    synchronized (dog){
      System.out.println(ClassLayout.parseInstance(dog).toPrintable());
    }
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(dog).toPrintable());
  }
}

class Dog {
  int age;
}      

如上圖所示，開始狀态為101，為可偏向，無鎖狀态

上鎖後狀态是101，為可偏向，有鎖狀态 

解鎖後：狀态為101，為可偏向，有鎖狀态

差別為：當線程給無鎖狀态的lock加鎖時，會把線程ID存儲到MarkWord中，即鎖偏向于該ID的線程，偏向鎖不會自動釋放。

上面表格中2->3的過程。

偏向鎖狀态---->輕量級鎖狀态

多線程使用鎖（不競争，錯開時間通路），鎖由偏向鎖狀态變為輕量級鎖狀态

// -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
public class SynchronizedDemo {
  public static void main(String[] args) {
    Dog dog = new Dog();
    System.out.println("初始狀态：");
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(dog).toPrintable());

    new Thread(
            () -> {
              synchronized (dog) {
                System.out.println("hello world");
              }
            },
            "t1")
        .start();
    System.out.println("線程1釋放鎖後：");
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(dog).toPrintable());
    try {
      TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    } finally {
    }
    new Thread(
            () -> {
              synchronized (dog) {
                System.out.println("線程2上鎖：");
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(dog).toPrintable());
              }
              System.out.println("線程2釋放鎖：");
              System.out.println(ClassLayout.parseInstance(dog).toPrintable());
            },
            "t2")
        .start();
  }
}

class Dog {
  int age;
}      

初始狀态為101，為可偏向，并且為無鎖狀态

線程1釋放鎖後，狀态為101，并且存儲了線程ID，為偏向鎖狀态，偏向于線程1

線程2上鎖，上鎖後，狀态為00，輕量級鎖狀态

線程2釋放鎖後，狀态為001，此時為不可偏向的無鎖狀态。

重量級鎖狀态

// -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
public class SynchronizedDemo {
  public static void main(String[] args) {
    Dog dog = new Dog();
    System.out.println("初始狀态：");
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(dog).toPrintable());

    new Thread(
            () -> {
              synchronized (dog) {
                System.out.println("");
                try {
                  TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                } catch (Exception e) {
                  e.printStackTrace();
                } finally {
                }
              }
            },
            "t1")
        .start();

    new Thread(
            () -> {
              synchronized (dog) {
                System.out.println("線程2上鎖");
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(dog).toPrintable());
                try {
                  TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                } catch (Exception e) {
                  e.printStackTrace();
                } finally {
                }
              }
              System.out.println("線程2釋放鎖");
              System.out.println(ClassLayout.parseInstance(dog).toPrintable());
            },
            "t2")
        .start();
  }
}

class Dog {
  int age;
}      

如上圖所示，鎖初始狀态為101，可偏向無鎖狀态

當線程1在使用鎖，而線程2去上鎖的時候，狀态已經變為010，不可偏向重量級鎖。

總結

單線程使用鎖的時候為偏向鎖。

多線程無競争（錯峰使用鎖）的時候為輕量級鎖。

有競争的時候為重量級鎖。

參考