关于java:synchronized基本概念

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设计同步器的意义
多线程编程中，有可能会呈现多个线程同时拜访同一个共享、可变资源的状况，这个资源咱们称之其为临界资源；这种资源可能是：
对象、变量、文件等。
共享：资源能够由多个线程同时拜访
可变：资源能够在其生命周期内被批改
引出的问题：
因为线程执行的过程是不可控的，所以须要采纳同步机制来协同对对象可变状态的拜访！
如何解决线程并发平安问题？
实际上，所有的并发模式在解决线程平安问题时，采纳的计划都是序列化拜访临界资源。即在同一时刻，只能有一个线程拜访临
界资源，也称作同步互斥拜访。
Java 中，提供了两种形式来实现同步互斥拜访：synchronized 和 Lock
同步器的实质就是加锁
加锁目标：序列化拜访临界资源，即同一时刻只能有一个线程拜访临界资源 (同步互斥拜访)
不过有一点须要区别的是：当多个线程执行一个办法时，该办法外部的局部变量并不是临界资源，因为这些局部变量是在每个线程的
公有栈中，因而不具备共享性，不会导致线程平安问题。

synchronized 原理详解
synchronized 内置锁是一种对象锁(锁的是对象而非援用)，作用粒度是对象，能够用来实现对临界资源的同步互斥拜访，是可
重入的。
加锁的形式：
1、同步实例办法，锁是以后实例对象
2、同步类办法，锁是以后类对象
3、同步代码块，锁是括号外面的对象

synchronized 底层原理
synchronized 是基于 JVM 内置锁实现，通过外部对象 Monitor(监视器锁) 实现，基于进入与退出 Monitor 对象实现办法与代码
块同步，监视器锁的实现依赖底层操作系统的 Mutex lock（互斥锁）实现，它是一个重量级锁性能较低。当然，JVM 内置锁在 1.5
之后版本做了重大的优化，如锁粗化（Lock Coarsening）、锁打消（Lock Elimination）、轻量级锁（Lightweight Locking）、偏差锁（Biased Locking）、适应性自旋（Adaptive Spinning）等技术来缩小锁操作的开销，，内置锁的并发性能曾经根本与
Lock 持平。
synchronized 关键字被编译成字节码后会被翻译成 monitorenter 和 monitorexit 两条指令别离在同步块逻辑代码的起始地位
与完结地位。

每个同步对象都有一个本人的 Monitor(监视器锁)，加锁过程如下图所示：

Monitor 监视器锁
任何一个对象都有一个 Monitor 与之关联，当且一个 Monitor 被持有后，它将处于锁定状态。Synchronized 在 JVM 里的实现都是
基于进入和退出 Monitor 对象来实现办法同步和代码块同步，尽管具体实现细节不一样，然而都能够通过成对的 MonitorEnter 和
MonitorExit 指令来实现。
monitorenter：每个对象都是一个监视器锁（monitor）。当 monitor 被占用时就会处于锁定状态，线程执行
monitorenter 指令时尝试获取 monitor 的所有权，过程如下：
a. 如果 monitor 的进入数为 0，则该线程进入 monitor，而后将进入数设置为 1，该线程即为 monitor
的所有者；
b. 如果线程曾经占有该 monitor，只是从新进入，则进入 monitor 的进入数加 1；
c. 如果其余线程曾经占用了 monitor，则该线程进入阻塞状态，直到 monitor 的进入数为 0，再从新尝
试获取 monitor 的所有权；
monitorexit：执行 monitorexit 的线程必须是 objectref 所对应的 monitor 的所有者。指令执行时，monitor 的进入数减
1，如果减 1 后进入数为 0，那线程退出 monitor，不再是这个 monitor 的所有者。其余被这个 monitor 阻塞的线程能够尝试去
获取这个 monitor 的所有权。
monitorexit，指令呈现了两次，第 1 次为同步失常退出开释锁；第 2 次为产生异步退出开释锁；
通过下面两段形容，咱们应该能很分明的看出 Synchronized 的实现原理，Synchronized 的语义底层是通过一个 monitor 的对象来
实现，其实 wait/notify 等办法也依赖于 monitor 对象，这就是为什么只有在同步的块或者办法中能力调用 wait/notify 等办法，否则
会抛出 java.lang.IllegalMonitorStateException 的异样的起因。
看一个同步办法：

monitorexit，指令呈现了两次，第 1 次为同步失常退出开释锁；第 2 次为产生异步退出开释锁；
通过下面两段形容，咱们应该能很分明的看出 Synchronized 的实现原理，Synchronized 的语义底层是通过一个 monitor 的对象来
实现，其实 wait/notify 等办法也依赖于 monitor 对象，这就是为什么只有在同步的块或者办法中能力调用 wait/notify 等办法，否则
会抛出 java.lang.IllegalMonitorStateException 的异样的起因。
看一个同步办法：

package it.yg.juc.sync;
public class SynchronizedMethod {public synchronized void method() {System.out.println("Hello World!");
 }
}

反编译后果

从编译的后果来看，办法的同步并没有通过指令 monitorenter 和 monitorexit 来实现（实践上其实也能够通过这两条指令来
实现），不过绝对于一般办法，其常量池中多了 ACC_SYNCHRONIZED 标示符。JVM 就是依据该标示符来实现办法的同步的：
当办法调用时，调用指令将会查看办法的 ACC_SYNCHRONIZED 拜访标记是否被设置，如果设置了，执行线程将先获取
monitor，获取胜利之后能力执行办法体，办法执行完后再开释 monitor。在办法执行期间，其余任何线程都无奈再取得同一个
monitor 对象。
两种同步形式实质上没有区别，只是办法的同步是一种隐式的形式来实现，无需通过字节码来实现。两个指令的执行是 JVM 通
过调用操作系统的互斥原语 mutex 来实现，被阻塞的线程会被挂起、期待从新调度，会导致“用户态和内核态”两个态之间来回切
换，对性能有较大影响。
什么是 monitor？
能够把它了解为 一个同步工具，也能够形容为 一种同步机制，它通常被 形容为一个对象。与所有皆对象一样，所有的 Java 对象
是天生的 Monitor，每一个 Java 对象都有成为 Monitor 的潜质，因为在 Java 的设计中，每一个 Java 对象自打娘胎里进去就带了一把
看不见的锁，它叫做外部锁或者 Monitor 锁。也就是通常说 Synchronized 的对象锁，MarkWord 锁标识位为 10，其中指针指向的
是 Monitor 对象的起始地址。在 Java 虚拟机（HotSpot）中，Monitor 是由 ObjectMonitor 实现的，其次要数据结构如下（位于
HotSpot 虚拟机源码 ObjectMonitor.hpp 文件，C++ 实现的）：

ObjectMonitor 中有两个队列，_WaitSet 和 _EntryList，用来保留 ObjectWaiter 对象列表（每个期待锁的线程都会被封装成
ObjectWaiter 对象），_owner 指向持有 ObjectMonitor 对象的线程，当多个线程同时拜访一段同步代码时：

  1. 首先会进入 _EntryList 汇合，当线程获取到对象的 monitor 后，进入 _Owner 区域并把 monitor 中的 owner 变量设置为当
    火线程，同时 monitor 中的计数器 count 加 1；
  2. 若线程调用 wait() 办法，将开释以后持有的 monitor，owner 变量复原为 null，count 自减 1，同时该线程进入 WaitSet
    汇合中期待被唤醒；
  3. 若以后线程执行结束，也将开释 monitor（锁）并复位 count 的值，以便其余线程进入获取 monitor(锁)；
    同时，Monitor 对象存在于每个 Java 对象的对象头 Mark Word 中（存储的指针的指向），Synchronized 锁便是通过这种形式
    获取锁的，也是为什么 Java 中任意对象能够作为锁的起因，同时 notify/notifyAll/wait 等办法会应用到 Monitor 锁对象，所以必须在同步代码块中应用。监视器 Monitor 有两种同步形式：互斥与合作。多线程环境下线程之间如果须要共享数据，须要解决互斥拜访
    数据的问题，监视器能够确保监视器上的数据在同一时刻只会有一个线程在拜访。
    那么有个问题来了，咱们晓得 synchronized 加锁加在对象上，对象是如何记录锁状态的呢？答案是锁状态是被记录在每个对象
    的对象头（Mark Word）中，上面咱们一起认识一下对象的内存布局

对象的内存布局
HotSpot 虚拟机中，对象在内存中存储的布局能够分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充
（Padding）。
对象头：比方 hash 码，对象所属的年代，对象锁，锁状态标记，偏差锁（线程）ID，偏差工夫，数组长度（数组对象）
等。Java 对象头个别占有 2 个机器码（在 32 位虚拟机中，1 个机器码等于 4 字节，也就是 32bit，在 64 位虚拟机中，1 个机器码
是 8 个字节，也就是 64bit），然而 如果对象是数组类型，则须要 3 个机器码，因为 JVM 虚拟机能够通过 Java 对象的元数据信
息确定 Java 对象的大小，然而无奈从数组的元数据来确认数组的大小，所以用一块来记录数组长度。
实例数据：寄存类的属性数据信息，包含父类的属性信息；
对齐填充：因为虚拟机要求 对象起始地址必须是 8 字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐；

对象头
HotSpot 虚拟机的对象头包含两局部信息，第一局部是“Mark Word”，用于存储对象本身的运行时数据，如哈希码
（HashCode）、GC 分代年龄、锁状态标记、线程持有的锁、偏差线程 ID、偏差工夫戳等等，它是实现轻量级锁和偏差锁的关
键。，这部分数据的长度在 32 位和 64 位的虚拟机（暂 不思考开启压缩指针的场景）中别离为 32 个和 64 个 Bits，官网称它为“Mark
Word”。对象须要存储的运行时数据很多，其实曾经超出了 32、64 位 Bitmap 构造所能记录的限度，然而对象头信息是与对象本身
定义的数据无关的额 外存储老本，思考到虚拟机的空间效率，Mark Word 被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储
尽量多的信息，它会依据对象的状态复用本人的存储空间。例如在 32 位的 HotSpot 虚拟机 中对象未被锁定的状态下，Mark Word 的
32 个 Bits 空间中的 25Bits 用于存储对象哈希码（HashCode），4Bits 用于存储对象分代年龄，2Bits 用于存储锁标记位，1Bit 固定为
0，在其余状态（轻量级锁定、重量级锁定、GC 标记、可偏差）下对象的存储内容如下表所示。
然而如果对象是数组类型，则须要三个机器码，因为 JVM 虚拟机能够通过 Java 对象的元数据信息确定 Java 对象的大小，然而无
法从数组的元数据来确认数组的大小，所以用一块来记录数组长度。
对象头信息是与对象本身定义的数据无关的额定存储老本，然而思考到虚拟机的空间效率，Mark Word 被设计成一个非固定的
数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的数据，它会依据对象的状态复用本人的存储空间，也就是说，Mark Word 会随着程序
的运行发生变化。
变动状态如下：
32 位虚拟机

64 位虚拟机

当初咱们虚拟机根本是 64 位的，而 64 位的对象头有点节约空间,JVM 默认会开启指针压缩，所以基本上也是按 32 位的模式记录对象头
的。

手动设置‐XX:+UseCompressedOops

哪些信息会被压缩？
1. 对象的全局动态变量 (即类属性)
2. 对象头信息：64 位平台下，原生对象头大小为 16 字节，压缩后为 12 字节
3. 对象的援用类型：64 位平台下，援用类型自身大小为 8 字节，压缩后为 4 字节
4. 对象数组类型：64 位平台下，数组类型自身大小为 24 字节，压缩后 16 字节
在 Scott oaks 写的《java 性能权威指南》第八章 8.22 节提到了当 heap size 堆内存大于 32GB 是用不了压缩指针的，对象援用会额
外占用 20% 左右的堆空间，也就意味着要 38GB 的内存才相当于开启了指针压缩的 32GB 堆空间。
这是为什么呢？看上面援用中的红字（来自 openjdk wiki：
https://wiki.openjdk.java.net…）。32bit 最大寻址空间是 4GB，开启了压缩指针之后呢，一
个地址寻址不再是 1byte，而是 8byte，因为不论是 32bit 的机器还是 64bit 的机器，java 对象都是 8byte 对齐的，而类是 java 中的根本
单位，对应的堆内存中都是一个一个的对象。


对象头剖析工具
运行时对象头锁状态剖析工具 JOL，他是 OpenJDK 开源工具包，引入下方 maven 依赖

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.10</version>
</dependency>

打印 markword

System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());

object 为咱们的锁对象

锁的收缩降级过程
锁的状态总共有四种，无锁状态、偏差锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争，锁能够从偏差锁降级到轻量级锁，再降级的重
量级锁，然而锁的降级是单向的，也就是说只能从低到高降级，不会呈现锁的降级。从 JDK 1.6 中默认是开启偏差锁和轻量级锁
的，能够通过 -XX:-UseBiasedLocking 来禁用偏差锁。下图为锁的降级全过程：

偏差锁
偏差锁是 Java 6 之后退出的新锁，它是一种针对加锁操作的优化伎俩，通过钻研发现，在大多数状况下，锁不仅不存在多线程竞
争，而且总是由同一线程屡次取得，因而为了缩小同一线程获取锁 (会波及到一些 CAS 操作, 耗时) 的代价而引入偏差锁。偏差锁的外围
思维是，如果一个线程取得了锁，那么锁就进入偏差模式，此时 Mark Word 的构造也变为偏差锁构造，当这个线程再次申请锁时，
无需再做任何同步操作，即获取锁的过程，这样就省去了大量无关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能。所以，对于没有锁竞争
的场合，偏差锁有很好的优化成果，毕竟极有可能间断屡次是同一个线程申请雷同的锁。然而对于锁竞争比拟强烈的场合，偏差锁就
生效了，因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不雷同的，因而这种场合下不应该应用偏差锁，否则会得失相当，须要留神的
是，偏差锁失败后，并不会立刻收缩为重量级锁，而是先降级为轻量级锁。上面咱们接着理解轻量级锁。
默认开启偏差锁

开启偏差锁：-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
敞开偏差锁：-XX:-UseBiasedLocking

轻量级锁
假使偏差锁失败，虚拟机并不会立刻降级为重量级锁，它还会尝试应用一种称为轻量级锁的优化伎俩 (1.6 之后退出的)，此时
Mark Word 的构造也变为轻量级锁的构造。轻量级锁可能晋升程序性能的根据是“对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞
争”，留神这是教训数据。须要理解的是，轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间拜访同一锁的场
合，就会导致轻量级锁收缩为重量级锁。
自旋锁
轻量级锁失败后，虚拟机为了防止线程实在地在操作系统层面挂起，还会进行一项称为自旋锁的优化伎俩。这是基于在大多数情
况下，线程持有锁的工夫都不会太长，如果间接挂起操作系统层面的线程可能会得失相当，毕竟操作系统实现线程之间的切换时须要
从用户态转换到外围态，这个状态之间的转换须要绝对比拟长的工夫，工夫老本绝对较高，因而自旋锁会假如在不久未来，以后的线
程能够取得锁，因而虚构机会让以后想要获取锁的线程做几个空循环 (这也是称为自旋的起因)，个别不会太久，可能是 50 个循环或
100 循环，在通过若干次循环后，如果失去锁，就顺利进入临界区。如果还不能取得锁，那就会将线程在操作系统层面挂起，这就是
自旋锁的优化形式，这种形式的确也是能够晋升效率的。最初没方法也就只能降级为重量级锁了。
锁打消
打消锁是虚拟机另外一种锁的优化，这种优化更彻底，Java 虚拟机在 JIT 编译时 (能够简略了解为当某段代码行将第一次被执行时
进行编译，又称即时编译)，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种形式打消没有必要的锁，能够
节俭毫无意义的申请锁工夫，如下 StringBuffer 的 append 是一个同步办法，然而在 add 办法中的 StringBuffer 属于一个局部变量，并
且不会被其余线程所应用，因而 StringBuffer 不可能存在共享资源竞争的情景，JVM 会主动将其锁打消。锁打消的根据是逃逸剖析的
数据反对。
锁打消，前提是 java 必须运行在 server 模式（server 模式会比 client 模式作更多的优化），同时必须开启逃逸剖析
:-XX:+DoEscapeAnalysis 开启逃逸剖析
-XX:+EliminateLocks 示意开启锁打消。
逃逸剖析
应用逃逸剖析，编译器能够对代码做如下优化：
一、同步省略。如果一个对象被发现只能从一个线程被拜访到，那么对于这个对象的操作能够不思考同步。
二、将堆调配转化为栈调配。如果一个对象在子程序中被调配，要使指向该对象的指针永远不会逃逸，对象可能是栈调配的候选，而不是堆分
配。三、拆散对象或标量替换。有的对象可能不须要作为一个间断的内存构造存在也能够被拜访到，那么对象的局部（或全副）能够不存储在内存，
而是存储在 CPU 寄存器中。
是不是所有的对象和数组都会在堆内存调配空间？
不肯定
在 Java 代码运行时，通过 JVM 参数可指定是否开启逃逸剖析，-XX:+DoEscapeAnalysis：示意开启逃逸剖析 -XX:-
DoEscapeAnalysis：示意敞开逃逸剖析。从 jdk 1.7 开始曾经默认开启逃逸剖析，如需敞开，须要指定 -XX:-DoEscapeAnalysis
对于逃逸剖析的案例论证见 Git 课程源码

package com.yg.edu;



public class T0_ObjectStackAlloc {


    /**
     * 进行两种测试
     * 敞开逃逸剖析，同时调大堆空间，防止堆内 GC 的产生，如果有 GC 信息将会被打印进去
     * VM 运行参数：-Xmx4G -Xms4G -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
     *
     * 开启逃逸剖析
     * VM 运行参数：-Xmx4G -Xms4G -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
     *
     * 执行 main 办法后
     * jps 查看过程
     * jmap -histo 过程 ID
     */
    public static void main(String[] args) {long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 500000; i++) {alloc();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        // 查看执行工夫
        System.out.println("cost-time" + (end - start) + "ms");
        try {Thread.sleep(100000);
        } catch (InterruptedException e1) {e1.printStackTrace();
        }
    }


    private static TulingStudent alloc() {
        //Jit 对编译时会对代码进行 逃逸剖析
        // 并不是所有对象寄存在堆区，有的一部分存在线程栈空间
        TulingStudent student = new TulingStudent();
        return student;
    }


    static class TulingStudent {
        private String name;
        private int age;
    }
}

正文完
java
发表至： java
2021-07-07
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