Java并发(十九)----Monitor原理及Synchronized原理

1、Java 对象头

以 32 位虚拟机为例

普通对象

|--------------------------------------------------------------|
|                     Object Header (64 bits)                  |
|------------------------------------|-------------------------|
|        Mark Word (32 bits)         |    klass Word (32 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|

数组对象

|---------------------------------------------------------------------------------|
|                                 Object Header (96 bits)                         |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
|        Mark Word(32bits)       |    Klass Word(32bits) |  array length(32bits)  |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|

其中 Mark Word 结构为

|-------------------------------------------------------|--------------------|
|                  Mark Word (32 bits)                  |       State        |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|  hashcode:25         | age:4 | biased_lock:0 | 01     |       Normal       |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|  thread:23 | epoch:2 | age:4 | biased_lock:1 | 01     |       Biased       |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|               ptr_to_lock_record:30          | 00     | Lightweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|               ptr_to_heavyweight_monitor:30  | 10     | Heavyweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|                                              | 11     |    Marked for GC   |
|-------------------------------------------------------|--------------------|

64 位虚拟机 Mark Word

|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
|                        Mark Word (64 bits)                         |       State        |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| unused:25 | hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:0 | 01    |       Normal       |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| thread:54 | epoch:2     | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | 01    |       Biased       |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
|             ptr_to_lock_record:62                          | 00    | Lightweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
|             ptr_to_heavyweight_monitor:62                  | 10    | Heavyweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
|                                                            | 11    |    Marked for GC   |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|

参考资料

jvm - What is in Java object header? - Stack Overflow

2、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

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（阻塞队列）中等待的线程来竞争锁，竞争是非公平的
图中 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

3、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 void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // <- lock引用 （synchronized开始）
         3: dup                               // 复制一份引用
         4: astore_1                          // lock引用 -> slot 1
         5: monitorenter                      // 将 lock对象 MarkWord 置为 Monitor 指针
         6: getstatic     #3                  // <- i
         9: iconst_1                          // 准备常数 1
        10: iadd                              // +1
        11: putstatic     #3                  // -> i
        14: aload_1                           // <- lock引用
        15: monitorexit                       // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
        16: goto          24                  // 19-23 为异常处理
        19: astore_2                          // e -> slot 2 
        20: aload_1                           // <- lock引用
        21: monitorexit                       // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
        22: aload_2                           // <- slot 2 (e)
        23: athrow                            // throw e
        24: return
      Exception table:                      // 异常检测
         from    to  target type
             6    16    19   any            // 6-16 行出现异常 目标为19行
            19    22    19   any            // 19-22 行出现异常 目标为19行
      LineNumberTable:
        line 8: 0
        line 9: 6
        line 10: 14
        line 11: 24
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      25     0  args   [Ljava/lang/String;
      StackMapTable: number_of_entries = 2
        frame_type = 255 /* full_frame */
          offset_delta = 19
          locals = [ class "[Ljava/lang/String;", class java/lang/Object ]
          stack = [ class java/lang/Throwable ]
        frame_type = 250 /* chop */
          offset_delta = 4