【并發(fā)】并發(fā)鎖機制-深入理解synchronized（二）
synchronized 高級篇（底層原理）
一、查看synchronized的字節(jié)碼指令序列
同步方法
同步代碼塊?
二、Monitor（管程/監(jiān)視器）
MESA模型
wait()的正確使用姿勢
notify() 和 notifyAll() 分別何時使用
關(guān)于 wait、notify、notifyAll的問題詳解
Java語言的內(nèi)置管程synchronized
Monitor機制在Java中的實現(xiàn)
圖解Java中的Monitor機制
【思考】synchronized加鎖加在對象上，鎖對象是如何記錄鎖狀態(tài)的？?
三、對象的內(nèi)存布局
【了解】什么是對象頭？
【問】new Object() 在對象中占用幾個字節(jié)？？？
四、使用JOL工具查看內(nèi)存布局
導(dǎo)pom依賴
示例代碼?
運行結(jié)果?
下一節(jié)——synchronized底層鎖的優(yōu)化解析
synchronized是JVM內(nèi)置鎖，基于Monitor機制實現(xiàn)。
這個Monitor就是管程的意思，它可以控制線程，讓其陷入等待，或者將其喚醒！
synchronized 依賴底層操作系統(tǒng)的互斥原語Mutex（互斥量），它是一個重量級鎖，性能較低。
因為，有使用到操作系統(tǒng)底層的原語Mutex，我們只能通過系統(tǒng)調(diào)用來使用它！所以，CPU要從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)，它是一個很重的操作！
不過，在JVM內(nèi)置鎖在1.5之后版本做了重大的優(yōu)化，如鎖粗化（Lock Coarsening）、鎖消除（Lock Elimination）、輕量級鎖（Lightweight Locking）、偏向鎖（Biased Locking）、自適應(yīng)自旋（Adaptive Spinning）等技術(shù)來減少鎖操作的開銷，內(nèi)置鎖的并發(fā)性能已經(jīng)基本與Lock持平。?
一、查看synchronized的字節(jié)碼指令序列根據(jù)一些測試報告，在數(shù)據(jù)量不是很大的情況下，synchronized的性能大約只比ReentrantLock 差10%-20%！?
Java虛擬機通過一個同步結(jié)構(gòu)支持方法和方法中的指令序列的同步：monitor
同步方法是通過方法中的access_flags（訪問標(biāo)志位）中設(shè)置ACC_SYNCHRONIZED標(biāo)志來實現(xiàn)。
同步代碼塊是通過?monitorenter?和?monitorexit?來實現(xiàn)。兩個指令的執(zhí)行是JVM通過調(diào)用操作系統(tǒng)的互斥原語mutex來實現(xiàn)，被阻塞的線程會被掛起、等待重新調(diào)度，會導(dǎo)致“用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)”兩個態(tài)之間來回切換，對性能有較大影響。
同步方法
重慶分公司
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private static int counter = 0;
public synchronized static void increment() {
counter++;
}
public synchronized static void decrement() {
counter--;
}這里的synchronized加在方法上面，所以方法內(nèi)部的指令沒有發(fā)生變化！僅僅是加了一個標(biāo)志位！
這邊顯示的是0x0029，其實是0x0001 + 0x0008+ 0x0020
private static String lock = "";
public static void increment() {
synchronized (lock) {
counter++;
}
}
public static void decrement() {
synchronized (lock) {
counter--;
}
}這里方法內(nèi)部的指令發(fā)生的改變！
【問】為什么monitorexit指令有2次？?
第一個monitorexit指令是同步代碼塊正常釋放鎖的一個標(biāo)志
如果同步代碼塊中出現(xiàn)Exception或者Error，則會調(diào)用第二個monitorexit指令來保證釋放鎖
二、Monitor（管程/監(jiān)視器）Monitor在操作系統(tǒng)中就是管程，而在Java中，我們通常稱它為監(jiān)視器！
管程是指管理共享變量以及對共享變量操作的過程，讓它們支持并發(fā)。
在Java 1.5之前，Java語言提供的唯一并發(fā)語言就是管程，Java 1.5之后提供的SDK并發(fā)包也是以管程為基礎(chǔ)的！例如：JUC
synchronized關(guān)鍵字和wait()、notify()、notifyAll()這三個方法是Java中實現(xiàn)管程技術(shù)的組成部分。
MESA模型在管程的發(fā)展史上，先后出現(xiàn)過三種不同的管程模型——Hasen模型、Hoare模型和MESA模型。
現(xiàn)在正在廣泛使用的是MESA模型，介紹如下：
入口只允許一個線程通過，其余的現(xiàn)在入口等待隊列中等待！這樣子設(shè)計可以解決互斥的問題！?
進去之后，里面還提供了條件變量，每個條件變量都對應(yīng)有一個等待隊列！
條件變量和其等待隊列的作用是解決線程之間的同步問題！條件隊列里面存的東西，可以理解為“被wait()” 的線程。
wait()的正確使用姿勢對于MESA管程來說，有一個編程范式：
while(條件不滿足) {
??wait();
}喚醒的時間和獲取到鎖繼續(xù)執(zhí)行的時間是不一致的，被喚醒的線程再次執(zhí)行時可能條件又不滿足了，所以循環(huán)檢驗條件。MESA模型的wait()方法還有一個超時參數(shù)，為了避免線程進入等待隊列永久阻塞。?
我們可以看看Object類里面的對于?wait() 方法的注解描述：
確實需要將其放在循環(huán)里面。?
notify() 和 notifyAll() 分別何時使用滿足以下三個條件時，可以使用notify()，其余情況盡量使用notifyAll()：
【面試題】notify() 和 notifyAll()方法的使用和區(qū)別_面向架構(gòu)編程的博客-博客
https://blog.csdn.net/weixin_43715214/article/details/128665586
Java 參考了 MESA 模型，語言內(nèi)置的管程（synchronized）對 MESA 模型進行了精簡。
MESA 模型中，條件變量可以有多個，Java 語言內(nèi)置的管程里只有一個條件變量。
模型如下圖所示：
java.lang.Object 類定義了 wait()，notify()，notifyAll() 方法，這些方法的具體實現(xiàn)，依賴于 ObjectMonitor 實現(xiàn)，這是 JVM 內(nèi)部基于 C++ 實現(xiàn)的一套機制。
ObjectMonitor?其主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下（hotspot源碼ObjectMonitor.hpp）：
ObjectMonitor() {
_header = NULL; //對象頭 markOop
_count = 0;
_waiters = 0,
_recursions = 0; // 鎖的重入次數(shù)
_object = NULL; //存儲鎖對象
_owner = NULL; // 標(biāo)識擁有該monitor的線程（當(dāng)前獲取鎖的線程）
_WaitSet = NULL; // 等待線程（調(diào)用wait）組成的雙向循環(huán)鏈表，_WaitSet是第一個節(jié)點
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ; //多線程競爭鎖會先存到這個單向鏈表中 （FILO棧結(jié)構(gòu)）
FreeNext = NULL ;
_EntryList = NULL ; //存放在進入或重新進入時被阻塞(blocked)的線程 (也是存競爭鎖失敗的線程)
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
_previous_owner_tid = 0;
}其中涉及到3種鏈表——cxq、WaitSet、EntryList
但是從隊列中挑選一個線程進行喚醒，如何挑選？有沒有什么原則？
這一方面比較復(fù)雜！具體看下文?。?！
圖解Java中的Monitor機制首先，所有線程去競爭鎖，競爭失敗的線程會進入cxq（FILO）里面；
然后，持有鎖的線程，執(zhí)行后續(xù)邏輯，如果有?wait?方法，進入等待隊列waitSet；
接下來，可能繼續(xù)被喚醒，可能會進入cxq隊列(棧)，也可能進入EntryList（這要看具體的策略?。?/p>
最后，再次競爭鎖的時候，可能從cxq中獲取，也可能從EntryList中獲?。?
默認(rèn)策略
【思考】synchronized加鎖加在對象上，鎖對象是如何記錄鎖狀態(tài)的？?如果?EntryList為空，則將?cxq中的元素按原有順序插入到EntryList，并喚醒第一個線程，也就是當(dāng)EntryList為空時，是后來的線程先獲取鎖。（非公平?。?/p>
如果 EntryList不為空，直接從 EntryList 中喚醒線程。
鎖狀態(tài)是被記錄在每個對象的對象頭（Mark Word）中！具體看下文！
三、對象的內(nèi)存布局Hotspot虛擬機中，對象在內(nèi)存中存儲的布局可以分為三塊區(qū)域：對象頭（Header）、實例數(shù)據(jù)（Instance Data）和?對齊填充（Padding）
- 對象頭：比如 hash碼，對象所屬的年代，對象鎖，鎖狀態(tài)標(biāo)志，偏向鎖（線程）ID，偏向時間，數(shù)組長度（數(shù)組對象才有）等。
- 實例數(shù)據(jù)：存放類的屬性數(shù)據(jù)信息，包括父類的屬性信息；
- 對齊填充：由于虛擬機要求?對象起始地址 必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。填充數(shù)據(jù)不是必須存在的，僅僅是為了字節(jié)對齊。
對象頭是對象中最復(fù)雜的部分！HotSpot虛擬機的對象頭包括：3個部分
（1）Mark Word?
用于存儲對象自身的運行時數(shù)據(jù)，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時間戳等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的長度在32位和64位的虛擬機中分別為32bit和64bit，官方稱它為“Mark Word”。
圖解32位的JVM的存儲情況
圖解64位的JVM的存儲情況
雖然它們在不同位數(shù)的JVM中長度不一樣，但是基本組成內(nèi)容是一致的。
- 鎖標(biāo)志位（lock）：區(qū)分鎖狀態(tài)，11時表示對象待GC回收狀態(tài), 只有最后2位鎖標(biāo)識(11)有效。
- biased_lock：是否偏向鎖，由于無鎖和偏向鎖的鎖標(biāo)識都是 01，沒辦法區(qū)分，這里引入一位的偏向鎖標(biāo)識位。
- 分代年齡（age）：表示對象被GC的次數(shù)，當(dāng)該次數(shù)到達閾值的時候，對象就會轉(zhuǎn)移到老年代。大是15，所以是四位！
- 對象的hashcode（hash）：運行期間調(diào)用System.identityHashCode()來計算，延遲計算，并把結(jié)果賦值到這里。當(dāng)對象加鎖后，計算的結(jié)果31位不夠表示，在偏向鎖，輕量鎖，重量鎖，hashcode會被轉(zhuǎn)移到Monitor中。
- 偏向鎖的線程ID（JavaThread）：偏向模式的時候，當(dāng)某個線程持有對象的時候，對象這里就會被置為該線程的ID。 在后面的操作中，就無需再進行嘗試獲取鎖的動作。
- epoch：偏向鎖在CAS鎖操作過程中，偏向性標(biāo)識，表示對象更偏向哪個鎖
- ptr_to_lock_record：輕量級鎖狀態(tài)下，指向棧中鎖記錄的指針。當(dāng)鎖獲取是無競爭的時，JVM使用原子操作而不是OS互斥。這種技術(shù)稱為輕量級鎖定。在輕量級鎖定的情況下，JVM通過CAS操作在對象的標(biāo)題字中設(shè)置指向鎖記錄的指針。
- ptr_to_heavyweight_monitor：重量級鎖狀態(tài)下，指向?qū)ο蟊O(jiān)視器Monitor的指針。如果兩個不同的線程同時在同一個對象上競爭，則必須將輕量級鎖定升級到Monitor以管理等待的線程。在重量級鎖定的情況下，JVM在對象的ptr_to_heavyweight_monitor設(shè)置指向Monitor的指針。
簡單的來說就是：
enum {
locked_value = 0, //00 輕量級鎖
unlocked_value = 1, //001 無鎖
monitor_value = 2, //10 監(jiān)視器鎖，也叫膨脹鎖，也叫重量級鎖
marked_value = 3, //11 GC標(biāo)記
biased_lock_pattern = 5 //101 偏向鎖
}圖示如下：
（2）Klass Pointer
對象頭的另外一部分是klass類型指針，即對象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例。默認(rèn)開啟壓縮指針，4個字節(jié)（未開啟是8個）
（3）數(shù)組長度（只有數(shù)組對象有）
如果對象是一個數(shù)組, 那在對象頭中還必須有一塊數(shù)據(jù)用于記錄數(shù)組長度。?4字節(jié)
【問】new Object() 在對象中占用幾個字節(jié)？？？
JDK8是默認(rèn)開啟壓縮指針，如果該對象是數(shù)組，則對象頭是16個字節(jié)；反之，只是一個普通對象，則對象頭是12個字節(jié)
但是請注意，對于 new Object() 來說，首先它不是數(shù)組，則對象頭為12個字節(jié)，其次它是一個空對象，則它的實例數(shù)據(jù)為0，但是一個對象所占的字節(jié)必須是8個字節(jié)的整數(shù)倍，所以對齊填充位要補4個字節(jié)！加起來一共是16個字節(jié)！
我們可以用JOL來佐證！詳情如下：?
public class ObjectTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object obj = new Object();
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
}
}
查看普通 java對象的內(nèi)部布局工具JOL(JAVA OBJECT LAYOUT)，使用此工具可以查看 new 出來的一個 java對象的內(nèi)部布局，以及一個普通的java對象占用多少字節(jié)。?
導(dǎo)pom依賴org.openjdk.jol jol-core0.10 public class ObjectTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object obj = new Test();
//查看對象內(nèi)部信息
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
}
}
class Test{
private boolean flag;
private long p;
}
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