synchronized实现原理

Java对象头

在JVM中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头、实例数据和对齐填充。如下图所示：
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  1. 实例数据：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息
  2. 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
  3. 对象头：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

对象头如下图所示（以32位虚拟机为例）：
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  • Mark Word：存储自身的运行时数据，例如 HashCode、GC 年龄、锁相关信息等内容。
  • Klass Word：类型指针指向它的类元数据的指针。

而其中，Mark Word 的组成又如下图所示：
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其中，State是锁的标志位，如下所示：
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Monitor

Monitor对象并不是Java语言层面的对象，它是操作系统层面的对象，采用C++语言实现。每个Java对象都可以关联到一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级锁）之后，根据上面的图片，改对象的对象头中的 Mark Word 中就会设置为指向 Monitor 对象的指针，并且锁标志位置为10。下面是 Monitor 对象的结构，一般有3个组成部分：WaitSet、EntryList、Owner。

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其中，Owner主要是是 Monitor 的所有者，如上图所示的 Thread-2；而 EntryList 列表是存放想要成为 Owner 但是 Owner 已经有线程占用了，就会进入 EntryList 列表；而 WaitSet 则是存放竞争成为 Owner 但是处在 WAITTING 状态的线程。
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下面是字节码层面对 synchronized 重量级锁实现的解释：
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其中说明一下 monitorexit 和 monitorenter 这两条指令：

  1. MonitorEnter指令：插入在同步代码块的开始位置，当代码执行到该指令时，将会尝试获取该对象Monitor的所有权，即尝试获得该对象的锁
  2. MonitorExit指令：插入在方法结束处和异常处，JVM保证每个MonitorEnter必须有对应的MonitorExit，以保证对应对象的对象头的Mark Word可以恢复为无状态的锁状态。

    synchronized优化

    轻量级锁

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    锁膨胀

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    自旋优化

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    偏向锁

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    总结

    总的来说，偏向锁、轻量级锁、重量级锁都是synchronized关键字去实现的，但是它们的底层实现原理不尽相同，并且锁是按照“偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁”的顺序升级，如图所示：
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    关于是什么时候升级锁、各种锁的优缺点，下面这篇文章总结的非常好：
    https://xiaomi-info.github.io/2020/03/24/synchronized/