Java并发编程专题系列之深入分析synchronized

Posted 2021-06-10 java构架师

** Java对象内存结构**

HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

对象头（Object Header）
markWord（标记字段）
用于存储对象自身的运行时数据， 如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（暂 不考虑开启压缩指针的场景）中分别为32个和64个Bits。

• new一个空对象在32为系统中占用内存大小是8byte（对象头，在堆中）+4byte（对象的引用地址，在栈中）=12byte；

• new一个空对象在64为系统中占用内存大小是16byte（对象头，在堆中）+8byte（对象的引用地址，在栈中）=24byte；如果开启了压缩指针机制 那么就是 8byte(对象头)+4byte的链接指针+4byte(栈中的引用地址)。

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，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。

无锁状

加锁状态

其中轻量级锁和偏向锁是Java 6 对 synchronized 锁进行优化后新增加的，稍后我们会简要分析。

这里我们主要分析一下重量级锁也就是通常说synchronized的对象锁，锁标识位为10，其中指针指向的是monitor对象（也称为管程或监视器锁）的起始地址。

每个对象都存在着一个 monitor 与之关联，对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式，如monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态。

在Java虚拟机(HotSpot)中，monitor是由ObjectMonitor实现的，其主要数据结构如下（位于HotSpot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件，C++实现的）

ObjectMonitor() {  
    _header       = NULL;  
    _count        = 0; //记录个数  
    _waiters      = 0,  
    _recursions   = 0;  
    _object       = NULL;  
    _owner        = NULL;  
    \\_WaitSet      = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到\\_WaitSet  
    _WaitSetLock  = 0 ;  
    _Responsible  = NULL ;  
    _succ         = NULL ;  
    _cxq          = NULL ;  
    FreeNext      = NULL ;  
    _EntryList    = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表  
    _SpinFreq     = 0 ;  
    _SpinClock    = 0 ;  
    OwnerIsThread = 0 ;  
  }  

ObjectMonitor中有两个队列，WaitSet 和 EntryList，用来保存ObjectWaiter对象列表( 每个等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，当多个线程同时访问一段同步代码时

• 首先会进入 EntryList 集合，当线程获取到对象的monitor后进入Owner区域，并把monitor中的owner变量设置为当前线程同时monitor中的计数器count加1。

• 若线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复为null，count自减1，同时该线程进入 WaitSet集合中等待被唤醒。

• 若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)。
  

由此看来，monitor对象存在于每个Java对象的对象头中(存储的指针的指向)，synchronized锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因，同时也是notify/notifyAll/wait等方法存在于顶级对象Object中的原因。