Java之synchronized的JVM底层实现原理精简理解（1）

1 synchronized的JVM底层原理实现的精简理解

Java 虚拟机中的synchronized基于进入和退出Monitor对象（也称为管程或监视器锁）实现， 无论是显式同步(synchronized作用在同步代码块，有明确的 monitorenter 和 monitorexit 指令) 还是隐式同步（synchronized作用在方法区，调用指令ACC_SYNCHRONIZED 标志）都是如此，都是使得Monitor对象里面的count计数期增加或者减少来实现，然后synchronized属于重量级锁，效率低下，因为监视器锁（monitor）是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的，而操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高，这也是为什么早期的synchronized效率低的原因，ReentrantLock底层实现依赖于特殊的CPU指令，比如发送lock指令和unlock指令，不需要用户态和内核态的切换，所以效率高（这里和volatile底层原理类似）。

2 Java对象头与Monitor的理解

1）Java对象的构成

在JVM中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头、实例数据和对齐填充

实例变量：类的属性数据信息，包括父类的属性信息。

填充数据：虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，这里和C语言的结构体内存对齐还是有点不一样。

对象头：jvm中采用2个字节来存储对象头(如果对象是数组则会分配3个字，多出来的1个字记录的是数组长度)，其主要结构是由Mark Word 和 Class Metadata Address

虚拟机位数          头对象结构                              作用

32/64bit               Mark Word                               存储对象的hashCode、锁信息或分代年龄或GC标志等信息

32/64bit               Class Metadata Address         类型指针指向对象的类元数据，JVM通过这个指针确定该对象是哪个类的实例。

32位JVM的Mark Word默认存储结构如下

Mark Word默认存储结构外，还有如下可能变化的结构

2）monitor对象

轻量级锁和偏向锁是Java 6 对 synchronized 锁进行优化后新增加,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,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 WaitSe t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)

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