高并发篇_5 Synchronized源码分析II

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2022-10-06 02:56 165阅读 0赞

**高并发篇\_5 Synchronized源码分析II**

**           田超凡**

**原创博文，仿冒必究，部分素材转载自****每特教育****蚂蚁课堂**

## ##

### 1 前置准备工作 ###

1.  **虚拟机环境搭建和版本检查**

**本文讲解的主要是站在CPU和JVM字节码角度来分析Synchonized实现原理，具有一定深度，为便于你更好地理解和实操本文所总结的知识点，需要先检查服务器JDK版本，由于不同版本的JVM虚拟机有差异(32bit/64bit)，本文以当前主流的64bit HotSpot虚拟机实现来分析Synchronized锁实现原理，在实操环节开始之前，需要先检查服务器JDK版本是否是64bit HotSpot JVM**

**（2）64 bit HotSpot源码下载，便于理解和实操，下载的HotSpot虚拟机源码需要是完整版本的，后续JVM性能调优篇也会用到，完整的HotSpot源码包基本都要包括C++的头文件(hpp)、核心文件(cpp)，以及Java串口通信调用底层C++接口的接口代码。**

**64bit HotSpot****虚拟机源码下载地址:**

[https://blog.csdn.net/wy\_xing/article/details/100341583][https_blog.csdn.net_wy_xing_article_details_100341583]

## 2 虚拟机环境安装检查 ##

**注意JDK的环境统一安装：jdk-8u291-windows-x64 避免出现结果不一样。**

正确

**Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.291-b10, mixed mode)**

### **3 Java****对象在内存中的分布模式** ###

**在JVM中，对象在内存中的布局分为三个部分：对象头、实例数据和对齐填充**

1.  **对象头Object Header**

**HotSpot****虚拟机的对象头(Object Header)包括两部分信息:Mark World和Klass Pointer**

**第一部分"Mark World":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.**

**第二部分"Klass Pointer"：存放对象所指向的类的元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。**

**注意：如果是数组类型对象，对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是从数组的元数据中无法确定数组的大小。**

**Mark World : 32****位JVM占4字节 ，64位JVM占 8字节**

**Klass Pointer :** **开启压缩占4字节，未开启压缩 占 8字节。默认JVM开启压缩，占4字节**

**64****位JVM  压缩前：对象头=8+8=16个字节**

**64****位JVM  压缩后：对象头=8+4=12个字节，此时对齐填充会额外补充4个字节，满足对象所占字节数必须是8的整数倍**

**Klass Pointer**

**这一部分用于存放对象所指向的类的元数据的指针，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。**

**如果应用的对象过多，使用64位的指针将浪费大量内存，统计而言，64的JVM将会比32位的JVM多耗费50的内存。**

**为了节约内存可以使用选项 -XX:+UseCompressedOops 开启指针压缩。其中 oop即ordinary object pointer 普通对象指针。**

**VM Arguments:**

**-XX:+UseCompressedOops** **开启指针压缩(默认开启)**

**-XX:-UseCompressedOops****不开启指针压缩**

**对象头 = Mark World + Klass Pointer类型指针 未开启压缩的情况下**

**32****位 Mark Word =4bytes ，类型指针 4bytes ，对象头=8bytes =64bits**

**64****位 Mark Word = 8bytes ，类型指针Klass Pointer =  4bytes**

**对象头=8+4=12bytes=96bits**

**注意：默认情况下，JVM开启了指针压缩，类型指针是4bytes。可能只有12字节，必须是8字节的整数倍，所以会额外补充4个字节。**

1.  **实例数据：实例数据存放的就是对象的属性，根据对象每个属性类型的不同，每个属性在实例数据中所占的字节数也是完全不同的，详情可参考以下基本类型的位数和字节数：**

**类型 位数 字节数**

**Byte    8bit   1byte**

**Short   16bit   2byte**

**Int     32bit   4byte**

**Long   64bit   8byte**

**Float   32bit   4byte**

**Double  64bit  8byte**

**Char    8bit     1byte**

**Boolean  8bit  1byte**

**(3)** **对齐填充：对齐填充并不是必然存在的，也没有特定的含义，仅仅起着占位符的作用。**

**由于HotSpot虚拟机的自动内存管理系统要求对象的起始地址必须是8字节的整数倍，也就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（12bit或16bit），因此，当对象实例数据部分没有对齐的时候，就需要通过对齐填充来补全。**

3 查看Java对象在内存中的布局

**引入maven依赖：**

****

**<dependency>**

**    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>**

**    <artifactId>jol-core</artifactId>**

**    <version>0.10</version>**

**</dependency>**

**编写测试类：**

**package com.tcf.juc.exercise.day06;**

**import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;**

**/\*\*\***

** \* TODO TCF** **对象头Mark World中获取偏向锁标识位测试类**

** \*/**

**public class JavaObjectHeaderDeflectionLock extends Thread\{**

**    private static Object objectLock = new Object();**

**    @Override**

**    public void run()**

**    \{**

**        System.out.println("****偏向锁状态：");**

**        System.out.println(Integer.toHexString(objectLock.hashCode()));**

**        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objectLock).toPrintable());**

**        synchronized (objectLock)**

**        \{**

**            System.out.println("****轻量级锁状态：");**

**            System.out.println(Integer.toHexString(objectLock.hashCode()));**

**            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objectLock).toPrintable());**

**            try**

**            \{**

**                Thread.sleep(4000);**

**            \}**

**            catch(Exception e)**

**            \{**

**                e.printStackTrace();**

**            \}**

**        \}**

**    \}**

**    public static void main(String\[\] args)**

**    \{**

**        Thread t1 = new Thread(new JavaObjectHeaderDeflectionLock());**

**        t1.start();**

**        try**

**        \{**

**            t1.join();**

**            Thread.sleep(1000);**

**        \}**

**        catch (InterruptedException e)**

**        \{**

**            e.printStackTrace();**

**        \}**

**        // TODO TCF** **重量级锁**

**        sync();**

**    \}**

**    public static void sync()**

**    \{**

**        synchronized(objectLock)**

**        \{**

**            System.out.println("****重量级锁：");**

**            System.out.println(Integer.toHexString(objectLock.hashCode()));**

**            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objectLock).toPrintable());**

**        \}**

**    \}**

**\}**

论证对象头Klass Pointer指针压缩效果

**启用指针压缩-XX:+UseCompressedOops(默认开启)**

**禁止指针压缩:-XX:-UseCompressedOops**

**1.****默认开启指针压缩**

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:426.1pt;"> <pre style="margin-left:.0001pt;"><code>Object objectLock = new Object();

System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objectLock).toPrintable());</code></pre> </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMwMDU2MzQx_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

**2.****关闭指针压缩**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMwMDU2MzQx_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

### 4 对象头详解 ###

**对象头主要存放Mark World(存放对象运行时的数据) 和 Klass Point(存放对象所指向的类的元数据的指针，JVM通过该指针的值来确定对象是哪个类的实例)**

**Mark World****主要存放HashCode哈希值(栈帧根据HashCode值定位堆中对象引用的地址)、GC分代年龄(阈值默认15，超过15 触发一次YGC将对象从新生代移动到老年代)、锁状态标识(通过3位标识来区分锁状态，其中1位标识是否偏向锁，另外2位标识锁的类型：无锁/轻量级锁/重量级锁/GC标记)、获取到锁的线程、偏向锁id、偏向锁时间戳等。**

**①** **哈希值(HashCode)：31位的对象标识hashCode，采用延迟加载技术。**

**调用方法System.identityHashCode()计算，并会将结果写到该对象头中。**

**它是一个地址，用于栈对堆空间中对象的引用指向，不然栈是无法找到堆中对象的**

**②GC****分代年龄（占4位）：记录幸存者区对象被GC之后的年龄age，一般age为15（阈值为15的原因是因为age只有4位最大就可以将阈值设置15）之后下一次GC就会直接进入老年代，要是还没有等到年龄为15，幸存者区就满了怎么办，那就下一次GC就将大对象或者年龄大者直接进入老年代。**

**③** **锁状态标志：使用3位标识记录一些加锁的信息(我们使用加锁的时候，在底层都是锁的对象，而不是锁的代码**)，3位标识=1位偏向锁标识+2位锁类型标识(无锁/轻量级锁/重量级锁)。

![20210610223346680.png][]

**获取HashCode**

00010110 00000000 00000000 00000000

01110101 11010100 00011100

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMwMDU2MzQx_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

锁标记状态

在对象头Mark World中，锁标记用来标记当前锁对象的锁状态

锁一共有5个状态：

**无锁 001**

**偏向锁 101**

**轻量级锁 x00**

**重量级锁 x10**

**GC****标记 x11**

**Mark World****中的锁标记是使用3位来标识的，这是因为使用2位标识锁的类型的话只能标识最多4种类型(00,01,10,11)，这样就无法标识GC标记了，一共有5个锁状态，所以把是否偏向锁这个条件单独拿出来作为1个标志，也就是说**

**Mark World****锁标记 = 3位 = 1位偏向锁标识 + 2位锁类型标识**

![20210610223224264.png][]

<table> 
 <thead> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#eff3f5;border-color:#dddddd;width:91.8pt;"> 偏向锁标识位 </td> 
 <td style="background-color:#eff3f5;border-color:#dddddd;width:55.8pt;"> 锁标识位 </td> 
 <td style="background-color:#eff3f5;border-color:#dddddd;width:93.75pt;"> 锁状态 </td> 
 <td style="background-color:#eff3f5;border-color:#dddddd;width:479.85pt;"> 存储内容 </td> 
 </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#ffffff;border-color:#dddddd;width:91.8pt;"> 0 </td> 
 <td style="background-color:#ffffff;width:55.8pt;"> 01 </td> 
 <td style="background-color:#ffffff;width:93.75pt;"> 未锁定 </td> 
 <td style="background-color:#ffffff;width:479.85pt;"> hash code(31),年龄(4) </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#f7f7f7;border-color:#dddddd;width:91.8pt;"> 1 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7f7;width:55.8pt;"> 01 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7f7;width:93.75pt;"> 偏向锁 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7f7;width:479.85pt;"> 线程ID(54),时间戳(2),年龄(4) </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#ffffff;border-color:#dddddd;width:91.8pt;"> 无 </td> 
 <td style="background-color:#ffffff;width:55.8pt;"> 00 </td> 
 <td style="background-color:#ffffff;width:93.75pt;"> 轻量级锁 </td> 
 <td style="background-color:#ffffff;width:479.85pt;"> 栈中锁记录的指针(64) </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#f7f7f7;border-color:#dddddd;width:91.8pt;"> 无 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7f7;width:55.8pt;"> 10 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7f7;width:93.75pt;"> 重量级锁 </td> 
 <td style="background-color:#f7f7f7;width:479.85pt;"> monitor的指针(64) </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#ffffff;border-color:#dddddd;width:91.8pt;"> 无 </td> 
 <td style="background-color:#ffffff;width:55.8pt;"> 11 </td> 
 <td style="background-color:#ffffff;width:93.75pt;"> GC标记 </td> 
 <td style="background-color:#ffffff;width:479.85pt;"> 空，不需要记录信息 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

[https_blog.csdn.net_wy_xing_article_details_100341583]: https://blog.csdn.net/wy_xing/article/details/100341583
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[20210610223224264.png]: /images/20221005/d6fb3cdba37a470ea0944ca8f694adb2.png