【开发宝典】Java 并发系列教程（四）

作者：京东零售 刘跃明

Monitor 概念

Java 对象的内存布局

对象除了我们自定义的一些属性外，还有其它数据，在内存中可以分为三个区域：对象头、实例数据、对齐填充，这三个区域组成起来才是一个完整的对象。

对象头：在 JVM 中需要大量存储对象，存储时为了实现一些额外的功能，需要在对象中添加一些标记字段用于增强对象功能，这些标记字段组成了对象头。

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其实地址必须是 8 字节的整数倍，需要存在填充区域以满足 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。

图 1

Java 对象头

JVM 中对象头的方式有以下两种（以 32 位虚拟机为例）：

普通对象

数组对象

Mark Word

这部分主要用来存储对象自身的运行数据，如 hashcode、gc 分带年龄等，Mark Word 的位长度为 JVM 的一个 Word 大小，也就是说 32 位 JVM 的 Mark Word 为 32 位，64 位 JVM 为 64 位。为了让一个字大小存储更多的信息，JVM 将字的最低两个位设置为标记位，不同标记位下的 Mark Word 示意如下：

其中各部分的含义如下：

lock： 2 位的锁状态标记位，该标记的值不同，整个 Mark Word 表示的含义不同。

biased_lock： 对象是否启用偏向锁标记，只占 1 个二进制位，为 1 时表示对象启用偏向锁，为 0 时表示对象没有偏向锁。

age： 4 位的 Java 对象年龄，在 GC 中，如果对象再 Survivor 区复制一次，年龄增加 1，当对象达到设定的阈值时，将会晋升到老年代，默认情况下，并行 GC 的年龄阈值为 15，并发 GC 的年龄阈值为 6，由于 age 只有 4 位，所以最大值为 15，这就是-XX:MaxTenuringThreshold 选项最大值为 15 的原因。

identity_hashcode： 25 位的对象表示 Hash 码，采用延迟加载技术，调用方法 System.idenHashcode()计算，并会将结果写到该对象头中，当对象被锁定时，该值会移动到管程 Monitor 中。

thread： 持有偏向锁的线程 ID。

epoch： 偏向时间戳。

ptr_to_lock_record： 指向栈中锁记录的指针。

ptr_to_heavyweight_monitor： 指向管程 Monitor 的指针。

Klass Word

这一部分用于存储对象的类型指针，该指针指向它的类元数据，JVM 通过这个指针确定对象是哪个类的实例，该指针的位长度为 JVM 的一个字大小，即 32 位的 JVM 为 32 位，64 位的 JVM 为 64 位。

array length

如果对象是一个数组，那么对象头还需要有额外的空间用于存储数组的长度，这部分数据的长度也随着 JVM 架构的不同而不同：32 位的 JVM 长度为 32 位，64 位 JVM 则为 64 位。

Monitor 原理

Monitor 被翻译为监视器或管程

每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的 Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针。

Monitor 结构如下：

图 2

•刚开始 Monitor 中 Owner 为 null

•当 Thread-2 执行 synchronized(obj)就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-2，Monitor 中只能有一个 Owner

•在 Thread-2 上锁的过程中，如果 Thread-3、Thread-4、Thread-5 也来执行 synchronized(obj)，就会进入 EntryList BLOCKED

•Thread-2 执行完同步代码块的内容，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争是非公平的，也就是先进并非先获取锁

•图 2 中 WaitSet 中的 Thread-0、Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程，后面讲 wait-notify 时会分析

注意：

•synchronized 必须是进入同一个对象的 Monitor 才有上述的效果

•不加 synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

synchronized 原理

static final Object lock = new Object();static int counter = 0;
public static void main(String[] args) {    synchronized (lock) {        counter++;    }}

对应的字节码为：

public static main([Ljava/lang/String;)V

TRYCATCHBLOCK L0 L1 L2 null

TRYCATCHBLOCK L2 L3 L2 null

L4

LINENUMBER 6 L4

GETSTATIC MyClass03.lock : Ljava/lang/Object;

DUP

ASTORE 1

MONITORENTER //注释 1

L0

LINENUMBER 7 L0

GETSTATIC MyClass03.counter : I

ICONST_1

IADD

PUTSTATIC MyClass03.counter : I

L5

LINENUMBER 8 L5

ALOAD 1

MONITOREXIT //注释 2

L1

GOTO L6

L2

FRAME FULL [[Ljava/lang/String; java/lang/Object] [java/lang/Throwable]

ASTORE 2

ALOAD 1

MONITOREXIT //注释 3

L3

ALOAD 2

ATHROW

L6

LINENUMBER 9 L6

FRAME CHOP 1

RETURN

L7

LOCALVARIABLE args [Ljava/lang/String; L4 L7 0

MAXSTACK = 2

MAXLOCALS = 3

注释 1

MONITORENTER 的意思为：每个对象都有一个监视锁（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，并将进入数设置为 1，该线程即为 Monitor 的所有者（Owner）

•如果该线程已经占用 Monitor，只是重新进入 Monitor，则进入 Monitor 的进入数加 1

•如果其它线程已经占用 Monitor，则该线程进入阻塞状态，直到 Monitor 进入数为 0，再重新尝试获取 Monitor 的所有权

注释 2

MONITOREXIT 的意思为：执行指令时，Monitor 的进入数减 1，如果减 1 后进入数为 0，该线程退出 Monitor，不再是这个 Monitor 的所有者，其它被 Monitor 阻塞的线程重新尝试获取 Monitor 的所有权。

总结

通过注释 1 和注释 2 可知，synchronized 的实现原理，底层是通过 Monitor 的对象来完成，其实 wait 和 notify 等方法也依赖 Monitor，这就是为什么 wait 和 notify 方法必须要在同步方法内调用，否则会抛出 java.lang.IllegalMonitorStateException 的原因。

如果程序正常执行则按上述描述即可完成，如果程序在同步方法内发生异常，代码则会走注释 3，在注释 3 可以看到 MONITOREXIT 指令，也就是 synchronized 已经处理异常情况下的退出。

注：方法级别的 synchronized 不会在字节码指令中有所体现，而是在常量池中增加了 ACC_SYNCHRONIZED 标识符，JVM 就是通过该标识符来实现同步的，方法调用时，JVM 会判断方法的 ACC_SYNCHRONIZED 是否被设置，如果被设置，线程执行方法前会先获取 Monitor 所有权，执行完方法后再释放 Monitor 所有权，本质是一样的。

synchronized 原理进阶

轻量级锁

轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化。

轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是 synchronized

假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁

static final Object obj = new Object();
public static void method1() {    synchronized (obj) { // 同步块 A        method2();    }}
public static void method2() {    synchronized (obj) { // 同步块 B    }}

创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的 Mark Word

图 3

让锁记录中 Object reference 指向锁对象，并尝试用 cas 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录

图 4

如果 cas 替换成功，对象头中存储了锁记录地址和状态 00，表示由该线程给对象加锁，这是图示如下

图 5

如果 cas 失败，有两种情况

•如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这是表明有竞争，进入锁膨胀过程

•如果是自己线程执行了 synchronized 锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的技术

图 6

当退出 synchronized 代码块（解锁时），如果有取值为 null 的锁记录，表示由重入，这是重置锁记录，表示重入技术减一

图 7

当退出 synchronized 代码块（解锁时），锁记录的值不为 null，这时使用 cas 将 Mark Word 的值回复给对象头

•成功，则解锁成功

•失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这是一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这是需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。

当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁

图 8

这是 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程

•即为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址

•然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED

图 9

当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，失败，这是会进入重量级解锁流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程

自旋优化

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步，释放了锁），这是当前线程就可以避免阻塞。

自旋重试成功的情况

自旋重试失败的情况

•自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。

•在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。

•Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能。

偏向锁

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。

Java 6 中引入了偏向锁做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS，以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有。

注：

Java 15 之后废弃偏向锁，默认是关闭，如果想使用偏向锁，配置-XX:+UseBiasedLocking 启动参数。

启动偏向锁之后，偏向锁有一个延迟生效的机制，这是因为 JVM 启动时会进行一系列的复杂活动，比如装载配置，系统类初始化等等。在这个过程中会使用大量 synchronized 关键字对对象加锁，且这些锁大多数都不是偏向锁。为了减少初始化时间，JVM 默认延时加载偏向锁。这个延时的时间大概为 4s 左右，具体时间因机器而异。当然我们也可以设置 JVM 参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来取消延时加载偏向锁。

例如：

static final Object obj = new Object();
public static void m1() {    synchronized (obj) { // 同步块 A        m2();    }}
public static void m2() {    synchronized (obj) { // 同步块 B        m3();    }}
public static void m3() {    synchronized (obj) {    }}

如果关闭偏向锁，使用轻量锁情况：

图 10

开启偏向锁，使用偏向锁情况：

图 11

偏向状态

回忆一下对象头格式

一个对象创建时：

•如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，Mark Word 值为 0x05,也就是最后是 3 位为 101，这是它的 thread、epoch、age 都为 0

•如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，Mark Word 值为 0x01，也就是最后 3 位为 001，这时它的 hashcode、age 都为 0，第一次用到 hashcode 时才会赋值

我们来验证下，使用 jol 第三方工具，以及对工具打印对象头做了一个处理，让对象头开起来更简便：

测试代码

public synchronized static void main(String[] args){    log.info("{}", toSimplePrintable(object));}

开启偏向锁的情况下

打印的数据如下（由于 Java15 之后偏向锁废弃，因此打开偏向锁打印会警告）

17:15:17 [main] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101

最后为 101，其他都为 0，验证了上述第一条。

可能你又要问了，我这也没使用 synchronized 关键字呀，那不也应该是无锁么？怎么会是偏向锁呢？

仔细看一下偏向锁的组成，对照输出结果红色划线位置，你会发现占用 thread 和 epoch 的 位置的均为 0，说明当前偏向锁并没有偏向任何线程。此时这个偏向锁正处于可偏向状态，准备好进行偏向了！你也可以理解为此时的偏向锁是一个特殊状态的无锁。

关闭偏向锁的情况下

打印的数据如下

17:18:32 [main] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001

最后为 001，其它都是 0，验证了上述第二条。

接下来验证加锁的情况，代码如下：

private static Object object = new Object();public synchronized static void main(String[] args){    new Thread(()->{        log.info("{}", "synchronized前");        log.info("{}", toSimplePrintable(object));        synchronized (object){            log.info("{}", "synchronized中");            log.info("{}", toSimplePrintable(object));        }        log.info("{}", "synchronized后");        log.info("{}", toSimplePrintable(object));    },"t1").start();}

开启偏向锁的情况，打印数据如下

17:24:05 [t1] c.MyClass03 - synchronized 前

17:24:05 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101

17:24:05 [t1] c.MyClass03 - synchronized 中

17:24:05 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000001 00001110 00000111 01001000 00000101

17:24:05 [t1] c.MyClass03 - synchronized 后

17:24:05 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000001 00001110 00000111 01001000 00000101

使用了偏向锁，并记录了线程的值（101 前面的一串数字），但是处于偏向锁的对象解锁后，线程 id 仍存储于对象头中。

关闭偏向锁的情况，打印数据如下

17:28:24 [t1] c.MyClass03 - synchronized 前

17:28:24 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001

17:28:24 [t1] c.MyClass03 - synchronized 中

17:28:24 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000001 01110000 00100100 10101001 01100000

17:28:24 [t1] c.MyClass03 - synchronized 后

17:28:24 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001

使用轻量锁（最后为 000），并且记录了占中存储的锁信息地址（000 前面一串数字），同步块结束后恢复到原先状态（因为没有使用 hashcode，所以 hashcode 值为 0）。

偏向锁撤销

在真正讲解偏向撤销之前，需要和大家明确一个概念——偏向锁撤销和偏向锁释放是两码事。

•撤销：笼统的说就是多个线程竞争导致不能再使用偏向模式的时候，主要是告知这个锁对象不能再用偏向模式

•释放：和你的常规理解一样，对应的就是 synchronized 方法的退出或 synchronized 块的结束

何为偏向撤销？

从偏向状态撤回原有的状态，也就是将 MarkWord 的第 3 位（是否偏向撤销）的值，从 1 变回 0

如果只是一个线程获取锁，再加上「偏心」的机制，是没有理由撤销偏向的，所以偏向的撤销只能发生在有竞争的情况下

撤销-hashcode 调用

调用了对象的 hashcode 会导致偏向锁被撤销：

•轻量级锁会在锁记录中记录 hashcode

•重量级锁会在 Monitor 中记录 hashcode

测试代码如下

private static Object object = new Object();public synchronized static void main(String[] args){    object.hashCode();//调用hashcode    new Thread(()->{        log.info("{}", "synchronized前");        log.info("{}", toSimplePrintable(object));        synchronized (object){            log.info("{}", "synchronized中");            log.info("{}", toSimplePrintable(object));        }        log.info("{}", "synchronized后");        log.info("{}", toSimplePrintable(object));    },"t1").start();}

打印如下：

17:36:05 [t1] c.MyClass03 - synchronized 前

17:36:06 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 01011111 00100001 00001000 10110101 00000001

17:36:06 [t1] c.MyClass03 - synchronized 中

17:36:06 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000001 01101110 00010011 11101001 01100000

17:36:06 [t1] c.MyClass03 - synchronized 后

17:36:06 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 01011111 00100001 00001000 10110101 00000001

撤销-其它线程使用对象

当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁。

测试代码如下

private static void test2() {    Thread t1 = new Thread(() -> {        synchronized (object) {            log.info("{}", toSimplePrintable(object));        }        synchronized (MyClass03.class) {            MyClass03.class.notify();//t1执行完之后才通知t2执行        }    }, "t1");    t1.start();    Thread t2 = new Thread(() -> {        synchronized (MyClass03.class) {            try {                MyClass03.class.wait();            } catch (InterruptedException e) {                e.printStackTrace();            }        }        log.info("{}", toSimplePrintable(object));        synchronized (object) {            log.info("{}", toSimplePrintable(object));        }        log.info("{}", toSimplePrintable(object));    }, "t2");    t2.start();}

打印数据如下

17:51:38 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000001 01000111 00000000 11101000 00000101

17:51:38 [t2] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000001 01000111 00000000 11101000 00000101

17:51:38 [t2] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000001 01111000 00100000 01101001 01010000

17:51:38 [t2] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001

可以看到线程 t1 是使用偏向锁，线程 t2 使用锁之前是一样的，但是一旦使用了锁，便升级为轻量级锁，执行完同步代码之后，恢复成撤销偏向锁的状态。

撤销-调用 wait/notify

代码如下

private static void test3(){    Thread t1 = new Thread(() -> {        log.info("{}", toSimplePrintable(object));        synchronized (object) {            log.info("{}", toSimplePrintable(object));            try {                object.wait();            } catch (InterruptedException e) {                e.printStackTrace();            }            log.info("{}", toSimplePrintable(object));        }    }, "t1");    t1.start();    new Thread(() -> {        try {            Thread.sleep(6000);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        synchronized (object) {            log.debug("notify");            object.notify();        }    }, "t2").start();}

打印数据如下

17:57:57 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101

17:57:57 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 00000000 00000001 00001111 00001100 11010000 00000101

17:58:02 [t2] c.MyClass03 - notify

17:58:02 [t1] c.MyClass03 - 00000000 00000000 01100000 00000000 00000011 11000001 10000010 01110010

调用 wait 和 notify 得是用 Monitor，所以会从偏向锁升级为重量级锁。

批量重偏向

如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这是偏向了线程 t1 的对象仍然有机会重新偏向 t2，重偏向会重置对象的 Thread ID。

当撤销偏向锁阈值超过 20 次后，JVM 会这样觉得，我是不是偏向错了呢，于是会在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程。

代码如下

public static class Dog{}
private static void test4() {    Vector<Dog> list = new Vector<>();    Thread t1 = new Thread(() -> {        for (int i = 0; i < 30; i++) {            Dog d = new Dog();            list.add(d);            synchronized (d) {                log.info("{}", i+"\t"+toSimplePrintable(d));            }        }        synchronized (list) {            list.notify();        }    }, "t1");    t1.start();    Thread t2 = new Thread(() -> {        synchronized (list) {            try {                list.wait();            } catch (InterruptedException e) {                e.printStackTrace();            }        }        log.debug("===============> ");        for (int i = 0; i < 30; i++) {            Dog d = list.get(i);            log.info("{}", i+"\t"+toSimplePrintable(d));            synchronized (d) {                log.info("{}", i+"\t"+toSimplePrintable(d));            }            log.info("{}", i+"\t"+toSimplePrintable(d));        }    }, "t2");    t2.start();}

打印如下

图 12

另外我在测试的是否发现一个线程，当对象是普通类（如 Dog）时，重偏向的阈值就是 20，也就是第 21 次开启了偏向锁，但是如果把普通类替换成 Object 时，重偏向的阈值就是 9，也就是第 10 次开启了偏向锁并重偏向（如图 13），这是怎么回事儿，有了解的同学可以评论交流下。

图 13

批量撤销

当撤销偏向锁阈值超过 40 次后，JVM 会这样觉得，自己确实偏向错了，根本不该偏向，于是整个类的所有对象都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的。

代码如下

static Thread t1, t2, t3;
private static void test6() throws InterruptedException {    Vector<Dog> list = new Vector<>();    int loopNumber = 40;    t1 = new Thread(() -> {        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {            Dog d = new Dog();            list.add(d);            synchronized (d) {                log.info("{}", i + "\t" + toSimplePrintable(d));            }        }        LockSupport.unpark(t2);    }, "t1");    t1.start();    t2 = new Thread(() -> {        LockSupport.park();        log.debug("===============> ");        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {            Dog d = list.get(i);            log.info("{}", i + "\t" + toSimplePrintable(d));            synchronized (d) {                log.info("{}", i + "\t" + toSimplePrintable(d));            }            log.info("{}", i + "\t" + toSimplePrintable(d));        }        LockSupport.unpark(t3);    }, "t2");    t2.start();    t3 = new Thread(() -> {        LockSupport.park();        log.debug("===============> ");        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {            Dog d = list.get(i);            log.info("{}", i + "\t" + toSimplePrintable(d));            synchronized (d) {                log.info("{}", i + "\t" + toSimplePrintable(d));            }            log.info("{}", i + "\t" + toSimplePrintable(d));        }    }, "t3");    t3.start();    t3.join();    log.info("{}", toSimplePrintable(new Dog()));}

打印如下

图 14