java架构之路（多线程）synchronized详解以及锁的膨胀升级过程

　　上几次博客，我们把volatile基本都说完了，剩下的还有我们的synchronized，还有我们的AQS，这次博客我来说一下synchronized的使用和原理。

　　synchronized是jvm内部的一把隐式锁，一切的加锁和解锁过程是由jvm虚拟机来控制的，不需要我们认为的干预，我们大致从了解锁，到synchronized的使用，到锁的膨胀升级过程三个角度来说一下synchronized。

锁的分类

　　java中我们听到很多的锁，什么显示锁，隐式锁，公平锁，重入锁等等，下面我来总结一张图来供大家学习使用。

 这次博客我们主要来说我们的隐示锁，就是我们的无锁到重量级锁。

synchronized的使用

　　我们先来看一段简单的代码

public class SynchronizedTest {

    private static Object object = new Object();
    
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (object){
            System.out.println("只有我拿到锁啦");
        }
    }
}

　　就这样synchronized就可以使用了，这样是每次去拿全局对象的object去锁住后续的代码段。我们来看一下汇编指令码

 public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: getstatic     #2                  // Field object:Ljava/lang/Object;
       3: dup
       4: astore_1
       5: monitorenter
       6: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       9: ldc           #4                  // String 只有我拿到锁啦
      11: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      14: aload_1
      15: monitorexit
      16: goto          24
      19: astore_2
      20: aload_1
      21: monitorexit
      22: aload_2
      23: athrow
      24: return
    Exception table:
       from    to  target type
           6    16    19   any
          19    22    19   any

　　明显看到了两个很重要的方法monitorenter和monitorexit两个方法，也就是说我们的synchronized方法加锁是基于monitorenter加锁和monitorexit解锁来操作的

　　我们得知是由monitorenter来控制加锁和monitorexit解锁的，我们完全可以这样来操作。上次我们说过一个unsafe类。

public class SynchronizedTest {

    private static Object obj = new Object();

    public void lockMethod(){
        UnsafeInstance.reflectGetUnsafe().monitorEnter(obj);
    }
    
    public void unLockMethod(){
        UnsafeInstance.reflectGetUnsafe().monitorExit(obj);
    }
}

　　就是我们上次说的unsafe那个类给我们提供了加锁和解锁的方法，这样就是实现夸方法的加锁和解锁了，但是超级不建议这样的使用，后面的AQS回去说别的方式。越过虚拟机直接操作底层的，我们一般是不建议这样来做的。

　　我们还可以将synchronized锁放置在方法上。例如

public class SynchronizedTest {

    private static Object object = new Object();

    public static synchronized void lockMethod() {
        System.out.println("只有我拿到锁啦");
    }
}

　　这样加锁是加在了this当前类对象上的。如果不加static，锁是加在类对象上的，需要注意我们用的spring的bean作用域

　　并且我们的synchronized是一个可重入锁，在jvm源码中有一个数值来记录加锁和解锁的次数，所以我们是可以多次套用synchronized的

public void lockMethod(){
    synchronized(obj){
        synchronized(obj){
            System.out.println("我没报错");
        }
    }
}

synchronized到底锁了什么

　　还是拿上个每次加锁的时候会在对象头内记录我们的加锁信息，我们这里来说一下对象头里面都放置了什么吧。

以32位JVM内部存储结构为例

锁状态	25 bit			4bit	1bit	2bit
						锁标志位
					是否是偏向锁
	23bit	2bit
GC标记	空					11
重量级锁	指向重量级锁Monitor的指针（依赖Mutex操作系统的互斥）					10
轻量级锁	指向线程栈中锁记录的指针 pointer to Lock Record					00
偏向锁	线程ID		Epoch	对象分代年龄	1	01
无锁	对象的hashCode			对象分代年龄	0	01

　　由此看出对象一直是有一个位置来记录我们的锁信息的。说到这我们就可以来看一下我们锁的膨胀升级过程了。

锁的膨胀升级

　　我们说过了对象头的内容，接下来可以说说我们的锁内部是如何升级上锁的了。从无锁到重量级锁的一个升级过程，我们来边画图，边详细看一下。

　　无锁状态：

 　　开始时应该这样的，线程A和线程B要去争抢锁对象，但还未开始争抢，锁对象的对象头是无锁的状态也就是25bit位存的hashCode，4bit位存的对象的分代年龄，1bit位记录是否为偏向锁，2bit位记录状态，优先看最后2bit位，是01，所以说我们的对象可能无锁或者偏向锁状态的，继续前移一个位置，有1bit专门记录是否为偏向锁的，1代表是偏向锁，0代表无锁，刚刚开始的时候一定是一个无锁的状态，这个不需要多做解释，系统不同内部bit位存的东西可能有略微差异，但关键信息是一致的。

　　偏向锁：

　　这时线程开始占有锁对象，比如线程A得到了锁对象。 

 就会变成这样的，线程A拿到锁对象，将我们的偏向锁标志位改为1，并且将原有的hashCode的位置变为23bit位存放线程A的线程ID（用CAS算法得到的线程A的ID），2bit位存epoch，偏向锁是永远不会被释放的。

　　接下来，线程B也开始运行，线程B也希望得到这把锁啊，于是线程B会检查23bit位存的是不是自己的线程ID，因为被线程A已经持有了，一定锁的23bit位一定不是线程B的线程ID了

 　　然后线程B也会不甘示弱啊，会尝试修改一次23bit位的对象头存储，如果说这时恰好线程A释放了锁，可以修改成功，然后线程B就可以持有该偏向锁了。如果修改失败，开始升级锁。自己无法修改，线程B只能找“大哥”了，线程B会通知虚拟机撤销偏向锁，然后虚拟机会撤销偏向锁，并告知线程A到达安全点进行等待。线程A到达了安全点，会再次判断线程是否已经退出了同步块，如果退出了，将23bit位置空，这时锁不需要升级，线程B可以直接进行使用了，还是将23bit的null改为线程B的线程ID就可以了。

 　　轻量级锁：如果线程B没有拿到锁，我们就会升级到轻量级锁，首先会在线程A和线程B都开辟一块LockRecord空间，然后把锁对象复制一份到自己的LockRecord空间下，并且开辟一块owner空间留作执行锁使用，并且锁对象的前30bit位合并，等待线程A和线程B来修改指向自己的线程，假如线程A修改成功，则锁对象头的前30bit位会存线程A的LockRecord的内存地址，并且线程A的owner也会存一份锁对象的内存地址，形成一个双向指向的形式。而线程B修改失败，则进入一个自旋状态，就是持续来修改锁对象。

 　　重量级锁：如果说线程B多次自旋以后还是迟迟没有拿到锁，他会继续上告，告知虚拟机，我多次自旋还是没有拿到锁，这时我们的线程B会由用户态切换到内核态，申请一个互斥量，并且将锁对象的前30bit指向我们的互斥量地址，并且进入睡眠状态，然后我们的线程A继续运行知道完成时，当线程A想要释放锁资源时，发现原来锁的前30bit位并不是指向自己了，这时线程A释放锁，并且去唤醒那些处于睡眠状态的线程，锁升级到重量级锁。

逃逸分析

　　很简单的一个问题，实例对象存在哪里？到底是堆还是栈？问题我先不回答，我们先看一段代码。

public class Test {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("开始");
        for (int i = 0; i < 500000; i++) {
            createCar();
        }
        System.out.println("结束");
        Thread.sleep(10000000);
    }


    private static void createCar() {
        Car car = new Car();
    }
}

就是我们运行一个创建对象的方法，一次性创建50万个Car对象，然后我们让我们的线程进行深度的睡眠，两个打印是为了知道我们的对象已经开始创建了和已经创建完成了。我们来运行一下。

 然后运行jmap -histo命令来查看我们的线程

 　　我们可以看到，car对象并没有产生50万个，别说会被GC掉对象，在运行之前我已经加了GC日志的参数-XX:+PrintGCDetails，控制台没有打印任何GC日志的。那么为什么会这样呢？我们来看一下我们的代码，由createCar代码创建了car对象，但car对象并没有被其它的方法或者线程去调用，虚拟机会认为你这对象可能只是一个实例化，并没有进行使用，这时虚拟机会给予你一个优化，就是对于可能没有使用的对象进行一次逃逸，也就是我们说到的逃逸分析。我们加入 -XX:­DoEscapeAnalysis参数再看一次。

 　　这也就是关闭了我们的逃逸分析，虚拟机就会真的为我们创建了50万个对象。也就是说开启了逃逸分析有一部分对象只是创建了线程栈上，当线程栈结束，对象也被销毁，上面的问题也就有答案了，实例对象可能存在堆上，也可能存在栈上。