简介： 对象在内存中的内存布局是什么样的？如何形容synchronized和ReentrantLock的底层实现和重入的底层原理？为什么AQS底层是CAS+volatile？锁的四种状态和锁降级过程应该如何形容？Object o = new Object() 在内存中占用多少字节？自旋锁是不是肯定比重量级锁效率高？关上偏差锁是否效率肯定会晋升？重量级锁到底重在哪里？重量级锁什么时候比轻量级锁效率高，同样反之呢？带着这些问题往下读。

作者 | 洋锅
起源 | 阿里技术公众号

一 为什么讲这个？

总结AQS之后，对这方面顺带的温习一下。本文从以下几个高频问题登程：

  • 对象在内存中的内存布局是什么样的？
  • 形容synchronized和ReentrantLock的底层实现和重入的底层原理。
  • 谈谈AQS，为什么AQS底层是CAS+volatile？
  • 形容下锁的四种状态和锁降级过程？
  • Object o = new Object() 在内存中占用多少字节？
  • 自旋锁是不是肯定比重量级锁效率高？
  • 关上偏差锁是否效率肯定会晋升？
  • 重量级锁到底重在哪里？
  • 重量级锁什么时候比轻量级锁效率高，同样反之呢？

二 加锁产生了什么？

有意识中用到锁的状况：

//System.out.println都加了锁public void println(String x) {  synchronized (this) {    print(x);    newLine();  }}

简略加锁产生了什么？

要弄清楚加锁之后到底产生了什么须要看一下对象创立之后再内存中的布局是个什么样的？

一个对象在new进去之后在内存中次要分为4个局部：

  • markword这部分其实就是加锁的外围，同时还蕴含的对象的一些生命信息，例如是否GC、通过了几次Young GC还存活。
  • klass pointer记录了指向对象的class文件指针。
  • instance data记录了对象外面的变量数据。
  • padding作为对齐应用，对象在64位服务器版本中，规定对象内存必须要能被8字节整除，如果不能整除，那么就靠对齐来补。举个例子：new出了一个对象，内存只占用18字节，然而规定要能被8整除，所以padding=6。

晓得了这4个局部之后，咱们来验证一下底层。借助于第三方包 JOL = Java Object Layout java内存布局去看看。很简略的几行代码就能够看到内存布局的款式：

public class JOLDemo {    private static Object  o;    public static void main(String[] args) {        o = new Object();        synchronized (o){            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());        }    }}

将后果打印进去：

从输入后果看：

1）对象头蕴含了12个字节分为3行，其中前2行其实就是markword，第三行就是klass指针。值得注意的是在加锁前后输入从001变成了000。Markword用途：8字节(64bit)的头记录一些信息，锁就是批改了markword的内容8字节(64bit)的头记录一些信息，锁就是批改了markword的内容字节(64bit)的头记录一些信息。从001无锁状态，变成了00轻量级锁状态。

2）New出一个object对象，占用16个字节。对象头占用12字节，因为Object中没有额定的变量，所以instance = 0，思考要对象内存大小要被8字节整除，那么padding=4，最初new Object() 内存大小为16字节。

拓展：什么样的对象会进入老年代？很多场景例如对象太大了能够间接进入，然而这里想探讨的是为什么从Young GC的对象最多经验15次Young GC还存活就会进入Old区（年龄是能够调的，默认是15）。上图中hotspots的markword的图中，用了4个bit去示意分代年龄，那么能示意的最大范畴就是0-15。所以这也就是为什么设置新生代的年龄不能超过15，工作中能够通过-XX:MaxTenuringThreshold去调整，然而个别咱们不会动。

三 锁的降级过程

1 锁的降级验证

探讨锁的降级之前，先做个试验。两份代码，不同之处在于一个中途让它睡了5秒，一个没睡。看看是否有区别。

public class JOLDemo {    private static Object  o;    public static void main(String[] args) {        o = new Object();        synchronized (o){            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());        }    }}----------------------------------------------------------------------------------------------public class JOLDemo {    private static Object  o;    public static void main(String[] args) {      try { Thread.sleep(5000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }        o = new Object();        synchronized (o){            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());        }    }}

这两份代码会不会有什么区别？运行之后看看后果：


有点意思的是，让主线程睡了5s之后输入的内存布局跟没睡的输入后果竟然不一样。

Syn锁降级之后，jdk1.8版本的一个底层默认设置4s之后偏差锁开启。也就是说在4s内是没有开启偏差锁的，加了锁就间接降级为轻量级锁了。

那么这里就有几个问题了？

  • 为什么要进行锁降级，以前不是默认syn就是重量级锁么？要么不必要么就用别的不行么？
  • 既然4s内如果加了锁就间接到轻量级，那么能不能不要偏差锁，为什么要有偏差锁？
  • 为什么要设置4s之后开始偏差锁？

问题1：为什么要进行锁降级？锁了就锁了，不就要加锁么？

首先明确早起jdk1.2效率非常低。那时候syn就是重量级锁，申请锁必须要通过操作系统老大kernel进行零碎调用，入队进行排序操作，操作完之后再返回给用户态。

内核态：用户态如果要做一些比拟危险的操作间接拜访硬件，很容易把硬件搞死（格式化，拜访网卡，拜访内存干掉、）操作系统为了系统安全分成两层，用户态和内核态 。申请锁资源的时候用户态要向操作系统老大内核态申请。Jdk1.2的时候用户须要跟内核态申请锁，而后内核态还会给用户态。这个过程是十分耗费工夫的，导致晚期效率特地低。有些jvm就能够解决的为什么还交给操作系统做去呢？能不能把jvm就能够实现的锁操作拉取出来晋升效率，所以也就有了锁优化。

问题2：为什么要有偏差锁？

其实这实质上归根于一个概率问题，统计示意，在咱们日常用的syn锁过程中70%-80%的状况下，个别都只有一个线程去拿锁，例如咱们常应用的System.out.println、StringBuffer，尽管底层加了syn锁，然而根本没有多线程竞争的状况。那么这种状况下，没有必要降级到轻量级锁级别了。偏差的意义在于：第一个线程拿到锁，将本人的线程信息标记在锁上，下次进来就不须要在拿去拿锁验证了。如果超过1个线程去抢锁，那么偏差锁就会撤销，降级为轻量级锁，其实我认为严格意义上来讲偏差锁并不算一把真正的锁，因为只有一个线程去访问共享资源的时候才会有偏差锁这个状况。

无心应用到锁的场景：

/***StringBuffer外部同步***/public synchronized int length() {  return count;} //System.out.println 有意识的应用锁public void println(String x) {   synchronized (this) {     print(x);     newLine();   } }

问题3：为什么jdk8要在4s后开启偏差锁？

其实这是一个斗争，明确晓得在刚开始执行代码时，肯定有好多线程来抢锁，如果开了偏差锁效率反而升高，所以下面程序在睡了5s之后偏差锁才凋谢。为什么加偏差锁效率会升高，因为中途多了几个额定的过程，上了偏差锁之后多个线程争抢共享资源的时候要进行锁降级到轻量级锁，这个过程还的把偏差锁进行撤销在进行降级，所以导致效率会升高。为什么是4s？这是一个统计的工夫值。

当然咱们是能够禁止偏差锁的，通过配置参数-XX:-UseBiasedLocking = false来禁用偏差锁。jdk15之后默认曾经禁用了偏差锁。本文是在jdk8的环境下做的锁降级验证。

2 锁的降级流程

下面曾经验证了对象从创立进去之后进内存从无锁状态->偏差锁（如果开启了）->轻量级锁的过程。对于锁降级的流程持续往下，轻量级锁之后就会变成重量级锁。首先咱们先了解什么叫做轻量级锁，从一个线程抢占资源（偏差锁）到多线程抢占资源降级为轻量级锁，线程如果没那么多的话，其实这里就能够了解为CAS，也就是咱们说的Compare and Swap，比拟并替换值。在并发编程中最简略的一个例子就是并发包上面的原子操作类AtomicInteger。在进行相似++操作的时候，底层其实就是CAS锁。

public final int getAndIncrement() {  return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);}public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {   int var5;   do {       var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);   } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));   return var5;}

问题4：什么状况下轻量级锁要降级为重量级锁呢？

首先咱们能够思考的是多个线程的时候先开启轻量级锁，如果它carry不了的状况下才会降级为重量级。那么什么状况下轻量级锁会carry不住。1、如果线程数太多，比方上来就是10000个，那么这里CAS要转多久才可能替换值，同时CPU光在这10000个活着的线程中来回切换中就消耗了微小的资源，这种状况下天然就降级为重量级锁，间接叫给操作系统入队治理，那么就算10000个线程那也是解决休眠的状况期待排队唤醒。2、CAS如果自旋10次仍然没有获取到锁，那么也会降级为重量级。

总的来说2种状况会从轻量级降级为重量级，10次自旋或期待cpu调度的线程数超过cpu核数的一半，主动降级为重量级锁。看服务器CPU的核数怎么看，输出top指令，而后按1就能够看到。

问题5：都说syn为重量级锁，那么到底重在哪里？

JVM偷懒把任何跟线程无关的操作全副交给操作系统去做，例如调度锁的同步间接交给操作系统去执行，而在操作系统中要执行先要入队，另外操作系统启动一个线程时须要耗费很多资源，耗费资源比拟重，重就重在这里。

整个锁降级过程如图所示：

四 synchronized的底层实现

下面咱们对对象的内存布局有了一些理解之后，晓得锁的状态次要寄存在markword外面。这里咱们看看底层实现。

public class RnEnterLockDemo {     public void method() {         synchronized (this) {             System.out.println("start");         }     }}

对这段简略代码进行反解析看看什么状况。javap -c RnEnterLockDemo.class

首先咱们能确定的是syn必定是还有加锁的操作，看到的信息中呈现了monitorenter和monitorexit，主观上就能够猜到这是跟加锁和解锁相干的指令。有意思的是1个monitorenter和2个monitorexit。为什么呢？失常来说应该就是一个加锁和一个开释锁啊。其实这里也体现了syn和lock的区别。syn是JVM层面的锁，如果异样了不必本人开释，jvm会主动帮忙开释，这一步就取决于多进去的那个monitorexit。而lock异样须要咱们手动补获并开释的。

对于这两条指令的作用，咱们间接参考JVM标准中形容：

monitorenter ：
Each object is associated with a monitor. A monitor is locked if and only if it has an owner. The thread that executes monitorenter attempts to gain ownership of the monitor associated with objectref, as follows: • If the entry count of the monitor associated with objectref is zero, the thread enters the monitor and sets its entry count to one. The thread is then the owner of the monitor. • If the thread already owns the monitor associated with objectref, it reenters the monitor, incrementing its entry count. • If another thread already owns the monitor associated with objectref, the thread blocks until the monitor's entry count is zero, then tries again to gain ownership

翻译一下：

每个对象有一个监视器锁（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：

  • 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。
  • 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。
  • 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：　
The thread that executes monitorexit must be the owner of the monitor associated with the instance referenced by objectref. The thread decrements the entry count of the monitor associated with objectref. If as a result the value of the entry count is zero, the thread exits the monitor and is no longer its owner. Other threads that are blocking to enter the monitor are allowed to attempt to do so.

翻译一下：

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。

通过这段话的形容，很分明的看出Synchronized的实现原理，Synchronized底层通过一个monitor的对象来实现，wait/notify等办法其实也依赖于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。

每个锁对象领有一个锁计数器和一个指向持有该锁的线程的指针。

当执行monitorenter时，如果指标对象的计数器为零，那么阐明它没有被其余线程所持有，Java虚构机会将该锁对象的持有线程设置为以后线程，并且将其计数器加i。在指标锁对象的计数器不为零的状况下，如果锁对象的持有线程是以后线程，那么Java虚拟机能够将其计数器加1，否则须要期待，直至持有线程开释该锁。当执行monitorexit时，Java虚拟机则需将锁对象的计数器减1。计数器为零代表锁已被开释。

总结

以往的教训中，只有用到synchronized就认为它曾经成为了重量级锁。在jdk1.2之前的确如此，起初发现太重了，耗费了太多操作系统资源，所以对synchronized进行了优化。当前能够间接用，至于锁的力度如何，JVM底层曾经做好了咱们间接用就行。

最初再看看结尾的几个问题，是不是都了解了呢。带着问题去钻研，往往会更加清晰。心愿对大家有所帮忙。

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