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【并发编程】Synchronized原理详解
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本文导读
Synchronized用的锁是存在java的对象头里面的。一个对象被new出来之后包含四个部分：对象头、类型指针、实例数据、对齐填充。
对象头 Mark Word 存储了对象的 hashCode、GC信息、锁信息三部分，这部分占8字节。每个对象都有个 monitor 对象，加锁就是在竞争 monitor 对象，代码块加锁是在前后分别加上 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现的，方法加锁是通过一个标记位来判断的。
一、synchronized 的底层原理
synchronized是一种对象锁，是可重入的，但是不可中断的（这个不可中断指的是在阻塞队列中排队是不可中断),非公平的锁。
加了synchronized后，在字节码会有二个指令monitorenter、monitorexit。
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，如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor 的所有者；如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1；如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝 试获取monitor的所有权。
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。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去 获取这个 monitor 的所有权。
Monitor 对象存在于每个 Java对象的对象头里(存储的指针的指向)。synchronized重量级锁是依赖对象内部的Monitor锁来实现的，而Monitor又依赖操作系统的MutexLock(互斥锁)来实现的，所以重量级锁也称为互斥锁。
二、对象头在JVM中存储的形式
Java对象头一般占有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)
对象头主要由如下两个部分组成：Mark Word：存储的是 对象的 hashCode、锁信息、或分代年龄、GC标注等信息。Class Metadata Address： 存储对象所属类(元数据) 的指针，JVM通过这个确定这个对象属于哪个类。
实例数据：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息
对齐填充：由于虚拟机要求 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。
三、synchronized锁的优化（锁升级）
Monitor实现的锁是互斥锁也称为重量级锁，重量级锁有一个缺点是线程开销很大。原因是当系统检测到锁是重量级锁后，会把等待的想要获得锁的线程进行阻塞，被阻塞的线程不会消耗CPU，但是阻塞或者唤醒一个线程时，都需要操作系统来帮忙，这就需要从用户态切换到内核态，而转换状态是需要消耗很多时间的，有可能比用户执行代码的时间还长。
synchronized一共有四种锁状态，锁的级别由低到高分别是：无锁状态->偏向锁状态->轻量级锁状态->重量级锁状态。这几个状态会随着锁的竞争情况逐渐升级（只能升级，不能降级）。
1、偏向锁、轻量级锁、重量级锁的升级过程
偏向锁偏向锁不是一把锁，而是代表了当前synchronized 锁状态。 当只有一个来线程加锁的时候，此时synchronized 锁就会变成偏向锁，偏向锁代表这个锁偏向这个线程，就是说当这个线程再次来加锁的时候，不需要再向操作系统申请资源，而是很快就能获取到锁，减少了申请锁的开销。
轻量级锁是当有多个线程参与到偏向锁的竞争中时，会先判断 markword 中的线程ID与这个线程是否一致，如果不一致，则会立即撤销偏向锁，升级为轻量级锁。
轻量级锁在代码进入同步块前，如果该同步块没有被锁定(即锁的标志位为“01”)，那么JVM在将当前线程的栈帧中，创建一个 LockRecord(锁记录LR)，并将锁对象头中的 markWord 信息复制到锁记录(LR)中，这个官方称为 Displaced Mard Word，然后线程尝试使用 CAS 将对象头中的 MarkWord 替换为指向锁记录(LR)的指针。
如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位（Mark Word的最后2bit）将转变为“00”，即表示此对象处于轻量级锁状态。
如果失败，表示有其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。如果在自旋一定次数后仍为获得锁，那么轻量级锁将会升级成重量级锁。
2、偏向锁、轻量级锁、重量级锁的应用场景
总结
synchronized用的锁是存在java的对象头里面的，加了synchronized后，在字节码会有二个指令monitorenter、monitorexit。
Monitor 对象存在于每个 Java对象的对象头里(存储的指针的指向)。
synchronized重量级锁是依赖对象内部的Monitor锁来实现的，而Monitor又依赖操作系统的MutexLock(互斥锁)来实现的。
synchronized一共有四种锁状态，锁的级别由低到高分别是：无锁状态->偏向锁状态->轻量级锁状态->重量级锁状态。
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- 原文地址：https://blog.csdn.net/FMC_WBL/article/details/134520463