多线程一synchronized的横切面

java源码层级

synchronized(o)

字节码层级

monitorenter moniterexit

JVM层级（Hotspot）

package com.mashibing.insidesync;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
public class T01_Sync1 {

public static void main(String[] args) {
Object o = new Object();
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
}
}

com.mashibing.insidesync.T01_Sync1$Lock object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 49 ce 00 20 (01001001 11001110 00000000 00100000) (536923721)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

com.mashibing.insidesync.T02_Sync2$Lock object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 05 90 2e 1e (00000101 10010000 00101110 00011110) (506368005)
4 4 (object header) 1b 02 00 00 (00011011 00000010 00000000 00000000) (539)
8 4 (object header) 49 ce 00 20 (01001001 11001110 00000000 00100000) (536923721)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes tota

InterpreterRuntime:: monitorenter方法

IRT_ENTRY_NO_ASYNC(void, InterpreterRuntime::monitorenter(JavaThread* thread, BasicObjectLock* elem))
#ifdef ASSERT
thread->last_frame().interpreter_frame_verify_monitor(elem);
#endif
if (PrintBiasedLockingStatistics) {
Atomic::inc(BiasedLocking::slow_path_entry_count_addr());
}
Handle h_obj(thread, elem->obj());
assert(Universe::heap()->is_in_reserved_or_null(h_obj()),
"must be NULL or an object");
if (UseBiasedLocking) {
// Retry fast entry if bias is revoked to avoid unnecessary inflation
ObjectSynchronizer::fast_enter(h_obj, elem->lock(), true, CHECK);
} else {
ObjectSynchronizer::slow_enter(h_obj, elem->lock(), CHECK);
}
assert(Universe::heap()->is_in_reserved_or_null(elem->obj()),
"must be NULL or an object");
#ifdef ASSERT
thread->last_frame().interpreter_frame_verify_monitor(elem);
#endif
IRT_END


synchronizer.cpp

revoke_and_rebias

void ObjectSynchronizer::fast_enter(Handle obj, BasicLock* lock, bool attempt_rebias, TRAPS) {
if (UseBiasedLocking) {
if (!SafepointSynchronize::is_at_safepoint()) {
BiasedLocking::Condition cOnd= BiasedLocking::revoke_and_rebias(obj, attempt_rebias, THREAD);
if (cOnd== BiasedLocking::BIAS_REVOKED_AND_REBIASED) {
return;
}
} else {
assert(!attempt_rebias, "can not rebias toward VM thread");
BiasedLocking::revoke_at_safepoint(obj);
}
assert(!obj->mark()->has_bias_pattern(), "biases should be revoked by now");
}
slow_enter (obj, lock, THREAD) ;
}


void ObjectSynchronizer::slow_enter(Handle obj, BasicLock* lock, TRAPS) {
markOop mark = obj->mark();
assert(!mark->has_bias_pattern(), "should not see bias pattern here");
if (mark->is_neutral()) {
// Anticipate successful CAS -- the ST of the displaced mark must
// be visible <= the ST performed by the CAS.
lock->set_displaced_header(mark);
if (mark == (markOop) Atomic::cmpxchg_ptr(lock, obj()->mark_addr(), mark)) {
TEVENT (slow_enter: release stacklock) ;
return ;
}
// Fall through to inflate() ...
} else
if (mark->has_locker() && THREAD->is_lock_owned((address)mark->locker())) {
assert(lock != mark->locker(), "must not re-lock the same lock");
assert(lock != (BasicLock*)obj->mark(), "don't relock with same BasicLock");
lock->set_displaced_header(NULL);
return;
}
#if 0
// The following optimization isn't particularly useful.
if (mark->has_monitor() && mark->monitor()->is_entered(THREAD)) {
lock->set_displaced_header (NULL) ;
return ;
}
#endif
// The object header will never be displaced to this lock,
// so it does not matter what the value is, except that it
// must be non-zero to avoid looking like a re-entrant lock,
// and must not look locked either.
lock->set_displaced_header(markOopDesc::unused_mark());
ObjectSynchronizer::inflate(THREAD, obj())->enter(THREAD);
}


inflate方法：膨胀为重量级锁

JDK8 markword实现表：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-WdSVrC1x-1615000866974)(./markword.png)]

无锁 - 偏向锁 - 轻量级锁 （自旋锁，自适应自旋）- 重量级锁

synchronized优化的过程和markword息息相关

用markword中最低的三位代表锁状态 其中1位是偏向锁位 两位是普通锁位

1. Object o = new Object()
   锁 = 0 01 无锁态

2. o.hashCode()
   001 + hashcode

   00000001 10101101 00110100 00110110
01011001 00000000 00000000 00000000

   little endian big endian

   00000000 00000000 00000000 01011001 00110110 00110100 10101101 00000000

3. 默认synchronized(o)
   00 -> 轻量级锁
   默认情况 偏向锁有个时延，默认是4秒
   why? 因为JVM虚拟机自己有一些默认启动的线程，里面有好多sync代码，这些sync代码启动时就知道肯定会有竞争，如果使用偏向锁，就会造成偏向锁不断的进行锁撤销和锁升级的操作，效率较低。

   -XX:BiasedLockingStartupDelay=0

4. 如果设定上述参数
   new Object () - > 101 偏向锁 ->线程ID为0 -> Anonymous BiasedLock
   打开偏向锁，new出来的对象，默认就是一个可偏向匿名对象101

5. 如果有线程上锁
   上偏向锁，指的就是，把markword的线程ID改为自己线程ID的过程
   偏向锁不可重偏向 批量偏向 批量撤销

6. 如果有线程竞争
   撤销偏向锁，升级轻量级锁
   线程在自己的线程栈生成LockRecord ，用CAS操作将markword设置为指向自己这个线程的LR的指针，设置成功者得到锁

7. 如果竞争加剧
   竞争加剧：有线程超过10次自旋， -XX:PreBlockSpin， 或者自旋线程数超过CPU核数的一半， 1.6之后，加入自适应自旋 Adapative Self Spinning ， JVM自己控制
   升级重量级锁：-> 向操作系统申请资源，linux mutex , CPU从3级-0级系统调用，线程挂起，进入等待队列，等待操作系统的调度，然后再映射回用户空间

(以上实验环境是JDK11，打开就是偏向锁，而JDK8默认对象头是无锁)

偏向锁默认是打开的，但是有一个时延，如果要观察到偏向锁，应该设定参数

没错，我就是厕所所长

加锁，指的是锁定对象

锁升级的过程

JDK较早的版本 OS的资源 互斥量 用户态 -> 内核态的转换 重量级 效率比较低

现代版本进行了优化

无锁 - 偏向锁 -轻量级锁（自旋锁）-重量级锁

偏向锁 - markword 上记录当前线程指针，下次同一个线程加锁的时候，不需要争用，只需要判断线程指针是否同一个，所以，偏向锁，偏向加锁的第一个线程 。hashCode备份在线程栈上 线程销毁，锁降级为无锁

有争用 - 锁升级为轻量级锁 - 每个线程有自己的LockRecord在自己的线程栈上，用CAS去争用markword的LR的指针，指针指向哪个线程的LR，哪个线程就拥有锁

自旋超过10次，升级为重量级锁 - 如果太多线程自旋 CPU消耗过大，不如升级为重量级锁，进入等待队列（不消耗CPU）-XX:PreBlockSpin

自旋锁在 JDK1.4.2 中引入，使用 -XX:+UseSpinning 来开启。JDK 6 中变为默认开启，并且引入了自适应的自旋锁（适应性自旋锁）。

自适应自旋锁意味着自旋的时间（次数）不再固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也是很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后尝试获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，直接阻塞线程，避免浪费处理器资源。

偏向锁由于有锁撤销的过程revoke，会消耗系统资源，所以，在锁争用特别激烈的时候，用偏向锁未必效率高。还不如直接使用轻量级锁。

synchronized最底层实现


public class T {
static volatile int i = 0;

public static void n() { i++; }

public static synchronized void m() {}

publics static void main(String[] args) {
for(int j=0; j<1000_000; j++) {
m();
n();
}
}
}


java -XX:+UnlockDiagonositicVMOptions -XX:+PrintAssembly T

C1 Compile Level 1 (一级优化)

C2 Compile Level 2 (二级优化)

找到m() n()方法的汇编码，会看到 lock comxchg …指令

synchronized vs Lock (CAS)

在高争用 高耗时的环境下synchronized效率更高
在低争用 低耗时的环境下CAS效率更高
synchronized到重量级之后是等待队列（不消耗CPU）
CAS（等待期间消耗CPU）

一切以实测为准

锁消除 lock eliminate

public void add(String str1,String str2){
StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append(str1).append(str2);
}

我们都知道 StringBuffer 是线程安全的，因为它的关键方法都是被 synchronized 修饰过的，但我们看上面这段代码，我们会发现，sb 这个引用只会在 add 方法中使用，不可能被其它线程引用（因为是局部变量，栈私有），因此 sb 是不可能共享的资源，JVM 会自动消除 StringBuffer 对象内部的锁。

public String test(String str){

int i = 0;
StringBuffer sb = new StringBuffer():
while(i <100){
sb.append(str);
i++;
}
return sb.toString():
}

JVM 会检测到这样一连串的操作都对同一个对象加锁（while 循环内 100 次执行 append，没有锁粗化的就要进行 100 次加锁/解锁），此时 JVM 就会将加锁的范围粗化到这一连串的操作的外部（比如 while 虚幻体外），使得这一连串操作只需要加一次锁即可。

https://www.zhihu.com/question/63859501

其实，只被VMThread访问，降级也就没啥意义了。所以可以简单认为锁降级不存在！

一个ALU + 两组Registers + PC

http://openjdk.java.net/groups/hotspot/docs/HotSpotGlossary.html

er sb = new StringBuffer():
while(i <100){
sb.append(str);
i++;
}
return sb.toString():
}


JVM 会检测到这样一连串的操作都对同一个对象加锁（while 循环内 100 次执行 append，没有锁粗化的就要进行 100 次加锁/解锁），此时 JVM 就会将加锁的范围粗化到这一连串的操作的外部（比如 while 虚幻体外），使得这一连串操作只需要加一次锁即可。
# 锁降级（不重要）
https://www.zhihu.com/question/63859501
其实，只被VMThread访问，降级也就没啥意义了。所以可以简单认为锁降级不存在！
# 超线程
一个ALU + 两组Registers + PC
# 参考资料
http://openjdk.java.net/groups/hotspot/docs/HotSpotGlossary.html