Java中synchronized的底层实现原理

一、对象头、Mark Word、monitor、synchronized怎么关联起来

（1）首先java里面每个对象JVM底层都会为它创建一个监视器monitor，这个是JVM层次为我们保证的。这个监视器就类似一个锁，哪个线程持有这个monitor的操作权，就相当于获取到了锁

（2）其次synchronized 修饰的代码或者方法，底层会生成两条指令分别为monitorenter、monitorexit。

（3）进入synchronized的代码块之前会执行monitorenter指令，去申请monitor监视器的操作权，如果申请成功了，就相当于获取到了锁。如果已经有别的线程申请成功monitor了，这个时候它就得等着，等别的线程执行完synchronized里面的代码之后就会执行monitorexit指令释放monitor监视器，这样其它在等待的线程就可以再次申请获取monitor监视器了。

monitor又是个啥东西？为什么monitor能当做锁？首先既然你知道每个对象都有一个monitor监视器，那你知道每个对象是怎么和它的monitor监视器关联起来的不？

通过synchronized进行加锁，就是通过对象头的Mark Word关联起来的，里面记录着锁状态和占有锁的线程地址指针。

当Mark Word中最后两位的锁标志位是10的时候，Mark Word的前面是monitor监视器的地址，我现在就给你画出来对象头、Mark Word 和 monitor之间的关系图(32位）：

二、monitor内部结构

monitor叫做对象监视器、也叫作监视器锁，JVM规定了每一个java对象都有一个monitor对象与之对应，这monitor是JVM帮我们创建的，在底层使用C++实现的。

其实monitor在C++底层也是某个类的对象，那个类就是ObjectMonitor，它拥有的属性也字段如下：

//结构体如下
ObjectMonitor::ObjectMonitor() {
_header;
_count ;  // 非常重要，表示锁计数器，_count = 0表示还没人加锁，_count > 0 表示加锁的次数
_waiters;
_recursions;
_owner; // 非常重要，指向加锁成功的线程，_owner = null 时候表示没人加锁
_waitset;  // wait线程的集合，在synchorized代码块中调用wait()方法的线程会被加入到此集合中沉睡，等待别人叫醒它
_waitsetLock;
_responsiable;
_succ;
_cxq;
_freenext;
_entrylist;  // 非常重要，等待队列，加锁失败的线程会被加入到这个等待队列中，等待再次争抢锁
_spinFreq;  // 获取锁之前的自旋的次数
_spinclock; // 获取之前每次锁自旋的时间
ownerIsThread;
}

3.1、monitor加锁原理

_count : 这个属性非常重要，直接表示有没有被加锁，如果没被线程加锁则 _count=0，如果_count大于0则说明被加锁了

_owner：这个属性也非常重要，直接指向加锁的线程，比如线程A获取锁成功了，则_owner = 线程A；当_owner = null的时候表示没线程加锁

_waitset：当持有锁的线程调用wait()方法的时候，那个线程就会释放锁，然后线程被加入到monitor的waitset集合中等待，然后线程就会被挂起。只有有别的线程调用notify将它唤醒。_entrylist：这个就是等待队列，当线程加锁失败的时候被block住，然后线程会被加入到这个entrylist队列中，等待获取锁。

_spinFreq：获取锁失败前自旋的次数；JDK1.6之后对synchronized进行优化；原先JDK1.6以前，只要线程获取锁失败，线程立马被挂起，线程醒来的时候再去竞争锁，这样会导致频繁的上下文切换，性能太差了。JDK1.6后优化了这个问题，就是线程获取锁失败之后，不会被立马挂起，而是每个一段时间都会重试去争抢一次，这个_spinFreq就是最大的重试次数，也就是自旋的次数，如果超过了这个次数抢不到，那线程只能沉睡了。_spinClock：上面说获取锁失败每隔一段时间都会重试一次，这个属性就是自旋间隔的时间周期，比如50ms，那么就是每隔50ms就尝试一次获取锁。

下面通过图文展示加锁过程：

（1）首先呢，没有线程对monitor进行加锁的时候是这样的：

说明：_count = 0 表示加锁次数是0，也就是没线程加锁；_owner 指向null，也就是没线程加锁

（2）然后呢，这个时候线程A、线程B来竞争加锁了，如下图所示：

（3）线程A竞争到锁，将_count 修改为1，表示加锁次数为1，将_owner = 线程A，也就是指向自己，表示线程A获取到了锁。在_count = 0，_owner = null的时候，表示monitor没人加锁，这个时候线程A和线程B同时请求加锁，也就是竞争将_count改为1。由于线程A这哥们动作比较快，它将_count改为1，获取锁成功了。它还嘚瑟了一下，同时将_onwer = 线程A，表示自己获取了锁，告诉线程B，兄弟不好意思了，是我获取了锁，我先去操作了。

既然加锁就是将_count 设置为1，同时将_owner 指向自己。那反过来推测，释放锁的时候是不是将_count 设置为 0 , 将 _owner 设置为 null 就 OK了？是的，释放锁的过程就是这么简单：

加锁和释放锁说完了，我们接下来将的是

_spinFreq、_spinclock、_entrylist

这几个东西：

上面解释字段属性的时候说_spinFreq是等待锁期间自旋的次数、_spinclock是自旋的周期也就是每次自旋多久时间、_entrylist这个就是自旋次数用完了还没获取锁，只能放到_entrylist等待队列挂起了。

让我们继续接着图来讲：

（1）首先线程B获取锁的时候发现monitor已经被线程A加锁了（2）然后monitor里面记录的_spinFreq 、spinclock 信息告诉线程B，你可以每隔50ms来尝试加锁一次，总共可以尝试10次（3）如果线程B在10次尝试加锁期间，获取锁成功了，那线程B将_count 设置为 1，_owner 指向自己表示自己获取锁成功了（4）如果10次尝试获取锁此时都用完了，那没辙了，它只能放到等待队列里面先睡觉去了，也就是线程B被挂起了

_spinFreq和_spinclock 这两个monitor的属性主要是让线程自旋的时候使用的吧。

entryList作用是当线程自旋次数都用完了之后，只能进入等待队列进行休眠了。

4.6、轻量级锁

轻量级锁模式下，加锁之前会创建一个锁记录，然后将Mark Word中的数据备份到锁记录中（Mark Word存储hashcode、GC年龄等很重要数据，不能丢失了），以便后续恢复Mark Word使用。这个锁记录放在加锁线程的虚拟机栈中，加锁的过程就是将Mark Word 前面的30位指向锁记录地址。所以mark word的这个地址指向哪个线程的虚拟机栈中，就说明哪个线程获取了轻量级锁。就好比下面的图，线程A获取了轻量级锁，锁记录存在线程A的虚拟机栈中，然后Mark Word的前面30位存储锁记录的地址。

了解了轻量级加锁的原理之后，我们继续，来讲讲偏向锁升级为轻量级锁的过程：

（1）首先线程A持有偏向锁，然后正在执行synchronized块中的代码

（2）这个时候线程B来竞争锁，发现有人加了偏向锁并且正在执行synchronized块中的代码，为了避免上述说的线程A一直持有锁不释放的情况，需要对锁进行升级，升级为轻量级锁

（3）先将线程A暂停，为线程A创建一个锁记录Lock Record，将Mark Word的数据复制到锁记录中；然后将锁记录放入线程A的虚拟机栈中

（4）然后将Mark Word中的前30位指向线程A中锁记录的地址，将线程A唤醒，线程A就知道自己持有了轻量级锁

4.6.2、在轻量级锁模式下，多线程是怎么竞争锁和释放锁的？

（1）线程A和线程B同时竞争锁，在轻量级锁模式下，都会创建Lock Record锁记录放入自己的栈帧中

（2）同时执行CAS操作，将Mark Word前30位设置为自己锁记录的地址，谁设置成功了，锁就获取到锁

上面讲了加锁的过程，轻量级锁的释放很简单，就将自己的Lock Record中的Mark Word备份的数据恢复回去即可，恢复的时候执行的是CAS操作将Mark Word数据恢复成加锁前的样子。

Java synchronized偏向锁后hashcode存在哪里？

jdk8偏向锁是默认开启，但是是有延时的，可通过参数： -XX:BiasedLockingStartupDelay=0关闭延时。

hashcode是懒加载，在调用hashCode方法后才会保存在对象头中。

当对象头中没有hashcode时，对象头锁的状态是 可偏向（ biasable，101，且无线程id）。

如果在同步代码块之前调用hashCode方法，则对象头中会有hashcode，且锁状态是 不可偏向（0 01），这时候再执行同步代码块，锁直接是 轻量级锁（thin lock，00）。

如果是在同步代码块中执行hashcode，则锁是从 偏向锁 直接膨胀为 重量级锁。