Java中synchronized的底层原理

https://blog.csdn.net/RollingCode_999/article/details/145591346

上一篇讲了为什么需要同步，以及 synchronized 关键字的使用，这一篇分析一下 synchronized的底层原理

对象头中的Mark Word

每个对象头中都包含了对象头信息，与锁相关的关键部分是Mark Word(标记字段)

Mark Word 会根据锁状态动态变化，存储锁标志位，线程ID等信息

以下为 Mark Word 的四种锁状态信息：

1. Normal（无锁）
2. Biased（偏向锁）
3. Lightweight Locked（轻量级锁）
4. ptr_to_heavyweight_monitor:62 (重量级锁)

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|                  Mark Word (64 bits)              |       State        |
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| unused:25 | identity_hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:0 | 01 |   Normal（无锁）
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| thread:54 |         epoch:2      | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | 01 |   Biased（偏向锁）
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|               ptr_to_lock_record:62          |               00       |   Lightweight Locked（轻量级锁）
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|               ptr_to_heavyweight_monitor:62  |               10       |   Heavyweight Locked（重量级锁）
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Mark Word 信息变化过程

无锁状态

没有线程访问同步代码块，biased_lock:0

偏向锁（Biased Locking）

当第一个线程访问同步代码块时，Mark Word 记录该线程的ID，biased_lock:1

后续如果是同一个线程进入该代码块时，直接检查线程ID是否和记录的一样，一样则不需要加锁

轻量级锁（Lightweight Locking）

当有第二个线程尝试获取锁的时候，偏向锁会升级成为轻量级锁

线程在栈帧中创建 Lock Record，通过CAS算法将 Mark Word 复制到 Lock Record，并尝试用CAS将 Mark Word 替换为指向 Lock Record 的指针(ptr_to_lock_record)

若CAS成功，获得锁。此时 State: 00

重量级锁（Heavyweight Locking）

若多个线程在获取轻量级锁时，CAS操作失败，并且重试一定次数后依然没有获得锁，说明锁竞争激烈。轻量级锁升级为重量级锁

此时，JVM会在堆中创建一个 ObjectMonitor 实例(Monitor)，将 Mark Word 中的内容替换为指向 Monitor 的指针(ptr_to_heavyweight_monitor)

当一个线程获得锁时，其他竞争的线程会被放入 Monitor 的 EntryList，等待操作系统级互斥锁（Mutex）的调度

1.  线程竞争轻量级锁时，创建的Lock Record存放在线程栈帧中，对象中的 Mark Word指向的是栈帧中的Lock Record
2. 尝试使用CAS操作竞争轻量级锁失败的线程会自旋尝试获得锁
3. 多个线程CAS 失败超过一定次数，会升级为重量级锁，此时才会创建ObjectMonitor
4. ObjectMonitor 并不是一开始就创建好了，是在锁升级到重量级锁的时候才创建的

绑定Monitor的流程

当锁需要升级为重量级锁时，会创建ObjectMonitor对象绑定到Mark Word，具体步骤如下：

1. JVM创建ObjectMonitor对象(即Monitor)，结构包含Owner、EntryList、WaitSet等字段。
2. 竞争的线程尝试通过CAS操作，将Mark Word的标志位(State)从00更新到10
   1. 如果更新成功，将Mark Word替换为指向Monitor的指针，将当前线程设置为Monitor的Owner
   2. 如果更新失败，表示已经有其他线程持有锁，线程进入阻塞(竞争的线程被放入EntryList，等待操作系统调度)
3. 线程执行完释放锁时，将Monitor中的Owner设置为null，唤醒 EntryList 或者 WaitSet 中的线程

Monitor结构

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|     Owner         |  -> 持有锁的线程
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|     EntryList     |  -> 竞争锁的线程队列（BLOCKED 状态）
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|     WaitSet       |  -> 调用 wait() 的线程队列（WAITING 状态）
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