synchronized基本概念

设计同步器的意义
多线程编程中，有可能会出现多个线程同时访问同一个共享、可变资源的情况，这个资源我们称之其为临界资源；这种资源可能是：
对象、变量、文件等。
共享：资源可以由多个线程同时访问
可变：资源可以在其生命周期内被修改
引出的问题：
由于线程执行的过程是不可控的，所以需要采用同步机制来协同对对象可变状态的访问！
如何解决线程并发安全问题？
实际上，所有的并发模式在解决线程安全问题时，采用的方案都是序列化访问临界资源。即在同一时刻，只能有一个线程访问临
界资源，也称作同步互斥访问。
Java 中，提供了两种方式来实现同步互斥访问：synchronized 和 Lock
同步器的本质就是加锁
加锁目的：序列化访问临界资源，即同一时刻只能有一个线程访问临界资源(同步互斥访问)
不过有一点需要区别的是：当多个线程执行一个方法时，该方法内部的局部变量并不是临界资源，因为这些局部变量是在每个线程的
私有栈中，因此不具有共享性，不会导致线程安全问题。

synchronized原理详解
synchronized内置锁是一种对象锁(锁的是对象而非引用)，作用粒度是对象，可以用来实现对临界资源的同步互斥访问，是可
重入的。
加锁的方式：
1、同步实例方法，锁是当前实例对象
2、同步类方法，锁是当前类对象
3、同步代码块，锁是括号里面的对象

synchronized底层原理
synchronized是基于JVM内置锁实现，通过内部对象Monitor(监视器锁)实现，基于进入与退出Monitor对象实现方法与代码
块同步，监视器锁的实现依赖底层操作系统的Mutex lock（互斥锁）实现，它是一个重量级锁性能较低。当然，JVM内置锁在1.5
之后版本做了重大的优化，如锁粗化（Lock Coarsening）、锁消除（Lock Elimination）、轻量级锁（Lightweight Locking）、偏向锁（Biased Locking）、适应性自旋（Adaptive Spinning）等技术来减少锁操作的开销，，内置锁的并发性能已经基本与
Lock持平。
synchronized关键字被编译成字节码后会被翻译成monitorenter 和 monitorexit 两条指令分别在同步块逻辑代码的起始位置
与结束位置。

每个同步对象都有一个自己的Monitor(监视器锁)，加锁过程如下图所示：

Monitor监视器锁
任何一个对象都有一个Monitor与之关联，当且一个Monitor被持有后，它将处于锁定状态。Synchronized在JVM里的实现都是
基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，虽然具体实现细节不一样，但是都可以通过成对的MonitorEnter和
MonitorExit指令来实现。
monitorenter：每个对象都是一个监视器锁（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：
a. 如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor
的所有者；
b. 如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1；
c. 如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝
试获取monitor的所有权；
monitorexit：执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者。指令执行时，monitor的进入数减
1，如果减1后进入数为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去
获取这个 monitor 的所有权。
monitorexit，指令出现了两次，第1次为同步正常退出释放锁；第2次为发生异步退出释放锁；
通过上面两段描述，我们应该能很清楚的看出Synchronized的实现原理，Synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来
完成，其实wait/notify等方法也依赖于monitor对象，这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法，否则
会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。
看一个同步方法：

monitorexit，指令出现了两次，第1次为同步正常退出释放锁；第2次为发生异步退出释放锁；
通过上面两段描述，我们应该能很清楚的看出Synchronized的实现原理，Synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来
完成，其实wait/notify等方法也依赖于monitor对象，这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法，否则
会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。
看一个同步方法：

package it.yg.juc.sync;
public class SynchronizedMethod {
 public synchronized void method() {
   System.out.println("Hello World!");
 }
}

反编译结果

从编译的结果来看，方法的同步并没有通过指令 monitorenter 和 monitorexit 来完成（理论上其实也可以通过这两条指令来
实现），不过相对于普通方法，其常量池中多了 ACC_SYNCHRONIZED 标示符。JVM就是根据该标示符来实现方法的同步的：
当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先获取
monitor，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放monitor。在方法执行期间，其他任何线程都无法再获得同一个
monitor对象。
两种同步方式本质上没有区别，只是方法的同步是一种隐式的方式来实现，无需通过字节码来完成。两个指令的执行是JVM通
过调用操作系统的互斥原语mutex来实现，被阻塞的线程会被挂起、等待重新调度，会导致“用户态和内核态”两个态之间来回切
换，对性能有较大影响。
什么是monitor？
可以把它理解为 一个同步工具，也可以描述为 一种同步机制，它通常被 描述为一个对象。与一切皆对象一样，所有的Java对象
是天生的Monitor，每一个Java对象都有成为Monitor的潜质，因为在Java的设计中 ，每一个Java对象自打娘胎里出来就带了一把
看不见的锁，它叫做内部锁或者Monitor锁。也就是通常说Synchronized的对象锁，MarkWord锁标识位为10，其中指针指向的
是Monitor对象的起始地址。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：

1. 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；
2. 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；
3. 若当前线程执行完毕，也将释放monitor（锁）并复位count的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)；
   同时，Monitor对象存在于每个Java对象的对象头Mark Word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notify/notifyAll/wait等方法会使用到Monitor锁对象，所以必须在同步代码块中使用。监视器Monitor有两种同步方式：互斥与协作。多线程环境下线程之间如果需要共享数据，需要解决互斥访问
   数据的问题，监视器可以确保监视器上的数据在同一时刻只会有一个线程在访问。
   那么有个问题来了，我们知道synchronized加锁加在对象上，对象是如何记录锁状态的呢？答案是锁状态是被记录在每个对象
   的对象头（Mark Word）中，下面我们一起认识一下对象的内存布局

对象的内存布局
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：比如 hash码，对象所属的年代，对象锁，锁状态标志，偏向锁（线程）ID，偏向时间，数组长度（数组对象）
等。Java对象头一般占有2个机器码（在32位虚拟机中，1个机器码等于4字节，也就是32bit，在64位虚拟机中，1个机器码
是8个字节，也就是64bit），但是 如果对象是数组类型，则需要3个机器码，因为JVM虚拟机可以通过Java对象的元数据信
息确定Java对象的大小，但是无法从数组的元数据来确认数组的大小，所以用一块来记录数组长度。
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 对象起始地址必须是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；

对象头
HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分是“Mark Word”，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，它是实现轻量级锁和偏向锁的关
键。，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，官方称它为“Mark
Word”。对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超出了32、64位Bitmap结构所能记录的限度，但是对象头信息是与对象自身
定义的数据无关的额 外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，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。例如在32位的HotSpot虚拟机 中对象未被锁定的状态下，Mark Word的
32个Bits空间中的25Bits用于存储对象哈希码（HashCode），4Bits用于存储对象分代年龄，2Bits用于存储锁标志位，1Bit固定为
0，在其他状态（轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向）下对象的存储内容如下表所示。
但是如果对象是数组类型，则需要三个机器码，因为JVM虚拟机可以通过Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是无
法从数组的元数据来确认数组的大小，所以用一块来记录数组长度。
对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，但是考虑到虚拟机的空间效率，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存储尽量多的数据，它会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说，Mark Word会随着程序
的运行发生变化。
变化状态如下：
32位虚拟机

64位虚拟机

现在我们虚拟机基本是64位的，而64位的对象头有点浪费空间,JVM默认会开启指针压缩，所以基本上也是按32位的形式记录对象头
的。

手动设置‐XX:+UseCompressedOops

哪些信息会被压缩？
1.对象的全局静态变量(即类属性)
2.对象头信息：64位平台下，原生对象头大小为16字节，压缩后为12字节
3.对象的引用类型：64位平台下，引用类型本身大小为8字节，压缩后为4字节
4.对象数组类型：64位平台下，数组类型本身大小为24字节，压缩后16字节
在Scott oaks写的《java性能权威指南》第八章8.22节提到了当heap size堆内存大于32GB是用不了压缩指针的，对象引用会额
外占用20%左右的堆空间，也就意味着要38GB的内存才相当于开启了指针压缩的32GB堆空间。
这是为什么呢？看下面引用中的红字（来自openjdk wiki：
https://wiki.openjdk.java.net...）。32bit最大寻址空间是4GB，开启了压缩指针之后呢，一
个地址寻址不再是1byte，而是8byte，因为不管是32bit的机器还是64bit的机器，java对象都是8byte对齐的，而类是java中的基本
单位，对应的堆内存中都是一个一个的对象。

对象头分析工具
运行时对象头锁状态分析工具JOL，他是OpenJDK开源工具包，引入下方maven依赖

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.10</version>
</dependency>

打印markword

System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());

object为我们的锁对象

锁的膨胀升级过程
锁的状态总共有四种，无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重
量级锁，但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级。从JDK 1.6 中默认是开启偏向锁和轻量级锁
的，可以通过-XX:-UseBiasedLocking来禁用偏向锁。下图为锁的升级全过程：

偏向锁
偏向锁是Java 6之后加入的新锁，它是一种针对加锁操作的优化手段，经过研究发现，在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞
争，而且总是由同一线程多次获得，因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心
思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，
无需再做任何同步操作，即获取锁的过程，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能。所以，对于没有锁竞争
的场合，偏向锁有很好的优化效果，毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。但是对于锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就
失效了，因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的，因此这种场合下不应该使用偏向锁，否则会得不偿失，需要注意的
是，偏向锁失败后，并不会立即膨胀为重量级锁，而是先升级为轻量级锁。下面我们接着了解轻量级锁。
默认开启偏向锁

开启偏向锁：-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking

轻量级锁
倘若偏向锁失败，虚拟机并不会立即升级为重量级锁，它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段(1.6之后加入的)，此时
Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞
争”，注意这是经验数据。需要了解的是，轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间访问同一锁的场
合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。
自旋锁
轻量级锁失败后，虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起，还会进行一项称为自旋锁的优化手段。这是基于在大多数情
况下，线程持有锁的时间都不会太长，如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失，毕竟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，因此自旋锁会假设在不久将来，当前的线
程可以获得锁，因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(这也是称为自旋的原因)，一般不会太久，可能是50个循环或
100循环，在经过若干次循环后，如果得到锁，就顺利进入临界区。如果还不能获得锁，那就会将线程在操作系统层面挂起，这就是
自旋锁的优化方式，这种方式确实也是可以提升效率的。最后没办法也就只能升级为重量级锁了。
锁消除
消除锁是虚拟机另外一种锁的优化，这种优化更彻底，Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时
进行编译，又称即时编译)，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以
节省毫无意义的请求锁时间，如下StringBuffer的append是一个同步方法，但是在add方法中的StringBuffer属于一个局部变量，并
且不会被其他线程所使用，因此StringBuffer不可能存在共享资源竞争的情景，JVM会自动将其锁消除。锁消除的依据是逃逸分析的
数据支持。
锁消除，前提是java必须运行在server模式（server模式会比client模式作更多的优化），同时必须开启逃逸分析
:-XX:+DoEscapeAnalysis 开启逃逸分析
-XX:+EliminateLocks 表示开启锁消除。
逃逸分析
使用逃逸分析，编译器可以对代码做如下优化：
一、同步省略。如果一个对象被发现只能从一个线程被访问到，那么对于这个对象的操作可以不考虑同步。
二、将堆分配转化为栈分配。如果一个对象在子程序中被分配，要使指向该对象的指针永远不会逃逸，对象可能是栈分配的候选，而不是堆分
配。三、分离对象或标量替换。有的对象可能不需要作为一个连续的内存结构存在也可以被访问到，那么对象的部分（或全部）可以不存储在内存，
而是存储在CPU寄存器中。
是不是所有的对象和数组都会在堆内存分配空间？
不一定
在Java代码运行时，通过JVM参数可指定是否开启逃逸分析， -XX:+DoEscapeAnalysis ： 表示开启逃逸分析 -XX:-
DoEscapeAnalysis ： 表示关闭逃逸分析。从jdk 1.7开始已经默认开启逃逸分析，如需关闭，需要指定-XX:-DoEscapeAnalysis
关于逃逸分析的案例论证见Git课程源码

package com.yg.edu;



public class T0_ObjectStackAlloc {


    /**
     * 进行两种测试
     * 关闭逃逸分析，同时调大堆空间，避免堆内GC的发生，如果有GC信息将会被打印出来
     * VM运行参数：-Xmx4G -Xms4G -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
     *
     * 开启逃逸分析
     * VM运行参数：-Xmx4G -Xms4G -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
     *
     * 执行main方法后
     * jps 查看进程
     * jmap -histo 进程ID
     */
    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 500000; i++) {
            alloc();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        //查看执行时间
        System.out.println("cost-time " + (end - start) + " ms");
        try {
            Thread.sleep(100000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
    }


    private static TulingStudent alloc() {
        //Jit对编译时会对代码进行 逃逸分析
        //并不是所有对象存放在堆区，有的一部分存在线程栈空间
        TulingStudent student = new TulingStudent();
        return student;
    }


    static class TulingStudent {
        private String name;
        private int age;
    }
}