并发编程原理与实战(二十七)深入剖析synchronized底层基石ObjectMonitor与对象头Mark Word

Java多线程-对象内置锁(ObjectMonitor) 1、介绍 Monitor是在JVM层对Java并发控制synchronized的重量级锁的实现。通过ObjectMonitor来实现并发的锁控制。同时也是Java基础对象Object的wait,nofity方法的底层支持实现。 2、对象模型 2.1 数据结构图 ObjectMonitor整体上可以分为两部分,一部分是是这个监控对象的基本信息表示当前锁的实时状态,一部分表示各种情况下需要获取锁的排队信息。如下图所示: 基本信息 1 header 用来保存锁对象的mark word的值。. 阅读详情

上一篇文章中,我们深入分析了synchronized底层原理实现,其中分析了什么是对象的监视器‌,如何查看对象监视器‌的状态信息、显式隐式获取监视器锁等问题。本文继续深入分析synchronized底层原理实现,解决以下几个问题。

(1)synchronized以什么作为互斥?

(2)synchronized既然可重入,那么重入计数记录在哪里?

(3)持有监视器锁的线程信息记录在哪里?

(4)其他抢锁的等待者记录在哪里?

(5)java对象(锁对象)如何关联Monitor对象?

深入Monitor

Monitor实现并发协同实现原理

synchronized既然是一个独占锁,就像数据库的主键字段不能重复,同一个文件夹下文件名不能重复,那么它的互斥属性是怎么实现的?

synchronized基于Monitor实现,而Monitor是一种编程语言层面的高级的同步机制,用于在多线程环境下管理共享资源的访问,其核心机制包括互斥与同步两部分。Monitor的互斥属性通过内置的互斥锁(Mutex)实现,保证同一时刻仅有一个线程能进入Monitor内部(临界区)执行操作,其他线程需在等待队列中等待。前面我们已经知道,synchronized与wait/notify实现的并发协同是基于条件判断实现的,这个正是基于Monitor的条件变量实现线程间的协作,Monitor内部维护多个队列(如入口队列、条件队列)管理线程状态,确保并发协同的正确性。

互斥锁(Mutex,全称 ‌Mutual Exclusion‌)是操作系统层面用于控制多线程对共享资源访问的同步机制,其核心目标是确保同一时刻仅有一个线程能进入临界区。

综上所述,我们得出这个依赖关系:synchronized—>Monitor—>Mutex。

JVM ObjectMonitor结构体

synchronized是JVM层面上的锁,而JVM是c/c++写的,在JDK的源码中有对象监视器的结构体ObjectMonitor的定义,ObjectMonitor是HotSpot虚拟机中实现Java对象监视器的核心数据结构。在JDK的源码路径下:

jdk-master\jdk-master\src\hotspot\share\runtime\objectMonitor.cpp
jdk-master\jdk-master\src\hotspot\share\runtime\objectMonitor.hpp

我们摘取其中的构造函数进行分析:

ObjectMonitor::ObjectMonitor() {
  _header       = NULL;      // 存储关联对象的Mark Word初始值
  _count        = 0;         // 记录锁的重入次数
  _waiters      = 0;         // 等待线程计数器(如调用wait()的线程)
  _recursions   = 0;         // 锁的重入深度
    
  _object       = NULL;      // 关联的Java对象指针
  _owner        = NULL;      // 持有锁的线程指针
    
  _cxq          = NULL;      // 竞争锁失败的线程栈(FILO结构)
  _EntryList    = NULL;      // 阻塞线程的双向链表(锁分配缓冲区)
  _WaitSet      = NULL;      // 调用wait()的线程等待队列
  _WaitSetLock  = 0;         // 保护_WaitSet操作的锁
    
  _SpinFreq     = 0;         // 自旋锁优化参数
  _SpinClock    = 0;         // 自旋锁时间控制
}

如上所示,其构造函数初始化了以下关键字段:

1、基本状态字段‌

(1)header:存储锁对象的Mark Word原始值,初始为NULL。
(2)count:记录线程获取锁的次数,初始为0。
(3)waiters:等待线程计数器,初始为0。
(4)_recursions:锁重入次数,初始为0。

2、线程管理队列‌

(1)cxq:竞争锁失败的线程单向链表(FILO栈结构),初始为NULL。
(2)EntryList:阻塞线程的双向循环链表,作为锁分配的缓冲区,初始为NULL。
(3)_WaitSet:调用wait()的线程等待队列,初始为NULL。

3、所有权标识‌

(1)owner:指向持有锁的线程,初始为NULL。
(2)object:关联的Java对象指针,初始为NULL。

4、辅助控制字段‌

(1)WaitSetLock:保护WaitSet操作的锁,初始为0。
(2)SpinFreq和SpinClock:*自旋锁优化相关参数,初始为0。

该构造函数通过清零所有字段完成初始化,为后续锁竞争(如monitorenter指令)和线程同步(如wait/notify)提供基础支持。其设计体现了Monitor的互斥与同步机制,通过队列管理实现线程阻塞和唤醒。

对象头

结构体ObjectMonitor各个字段的定义解答了文章开头的第1、第2、第3、第4个问题,还剩“java对象(锁对象)如何关联Monitor对象?”这个问题没有解决。

我们注意到,结构体ObjectMonitor中的_header字段存储关联对象的Mark Word初始值。那么什么是Mark Word?要了解Mark Word得先了解java的对象头。

Java对象头是JVM实现对象内存管理、锁机制和GC的关键数据结构,其组成与锁状态动态关联。Java对象核心结构由以下几部分组成。

组成部分大小(64位JVM)功能描述
‌Mark Word‌8字节动态存储对象的运行时数据,包括哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、偏向线程ID、锁指针等
‌Klass Pointer‌4/8字节指向方法区中对象的类元数据,用于确定对象所属类型
‌Array Length‌4字节(可选)仅数组对象存在,记录数组长度

Mark Word与锁优化

Mark Word部分存储着锁状态信息,而锁状态有无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁这几种状态。所以对象头的Mark Word是synchronized锁机制的关键实现。锁状态的变化遵循‌不可逆‌的过程:‌无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁。

(1)无锁状态。对象刚创建且未被任何线程加锁时处于无锁状态。锁标志位为01。

(2)偏向锁。首次有线程访问同步块时,升级为偏向锁;第一个线程访问同步块,且无竞争;消除单线程重复加锁的开销。锁标志位变为101。

(3)轻量级锁。第二个线程尝试获取锁(发生竞争),偏向锁撤销并升级为轻量级锁。锁标志位变为00。

(4)重量级锁。当CAS自旋失败(默认10次)或竞争加剧(如第三个线程加入),升级为重量级锁。对象头指向操作系统级互斥量(monitor),锁标志位变为10。

锁标志位状态转换示意流程:

无锁 (01) 
  │
  ↓ (首次单个线程访问)
偏向锁 (101) 
  │
  ↓ (多个线程访问,竞争发生)
轻量级锁 (00) 
  │
  ↓ (多个线程访问,CAS自旋失败或竞争加剧)
重量级锁 (10)

在《并发编程原理与实战(二十三)StampedLock应用实战与各种锁性能对比分析》这篇文章中,我们对比了包括synchronized在内的四种锁的性能,其中synchronized的表现最好。从上述锁标志位状态转换过程可以看出,根据竞争激烈程度自动调整锁策略,这其实是一个synchronized锁优化的结果。

线程执行synchronized(obj)时,JVM会检查obj对象的Mark Word锁标志位。当锁需要升级为重量级锁时,则创建或关联已有的ObjectMonitor,并将Mark Word更新为指向该Monitor的指针。通过这个过程实现java对象(锁对象)与Monitor对象的关联。

总结

本文深入分析了synchronized底层实现依赖,分析了JVM ObjectMonitor结构体的组成,最后分析了java对象头的Mark Word组成部分,简要分析了synchronized锁优化过程以及java对象(锁对象)与Monitor对象的关联的过程。synchronized的底层实现涉及的内容很多,就拿对象头‌Mark Word来讲,其组成部分就有很多项,我们的主要目的还是围绕问题来分析,在此我们不做更多深入的分析。

Java synchronized锁机制:从对象头到重量级锁的深度解析 Java中的synchronized关键字是实现线程同步的基础机制,其底层通过对象头的Mark Word实现锁状态管理。从偏向锁、轻量级锁到重量级锁的升级过程,体现了JVM对并发场景的智能优化。内存屏障保障可见性,CAS操作实现无竞争快速路径,最终通过操作系统的管程(Monitor)处理高竞争场景。在秒杀系统等高并发场景中,理解synchronized的锁膨胀过程及参数调优(如-XX:+UseBiasedLocking)对性能提升至关重要。通过JOL工具分析对象头布局,结合jstack和JFR工具链,可有效 阅读详情

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B. Palm", title = "Prediction as a candidate for learning deep hierarchical models of data", year = "2012",}```Contact: rasmusbergpalm at gmail dot comDirectories included in the toolbox-----------------------------------`NN/` - A library for Feedforward Backpropagation Neural Networks`CNN/` - A library for Convolutional Neural Networks`DBN/` - A library for Deep Belief Networks`SAE/` - A library for Stacked Auto-Encoders`CAE/` - A library for Convolutional Auto-Encoders`util/` - Utility functions used by the libraries`data/` - Data used by the examples`tests/` - unit tests to verify toolbox is workingFor references on each library check REFS.mdSetup-----1. Download.2. addpath(genpath('DeepLearnToolbox'));Example: Deep Belief Network---------------------```matlabfunction test_example_DBNload mnist_uint8;train_x = double(train_x) / 255;test_x = double(test_x) / 255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);%% ex1 train a 100 hidden unit RBM and visualize its weightsrand('state',0)dbn.sizes = [100];opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;opts.momentum = 0;opts.alpha = 1;dbn = dbnsetup(dbn, train_x, opts);dbn = dbntrain(dbn, train_x, opts);figure; visualize(dbn.rbm{1}.W'); % Visualize the RBM weights%% ex2 train a 100-100 hidden unit DBN and use its weights to initialize a NNrand('state',0)%train dbndbn.sizes = [100 100];opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;opts.momentum = 0;opts.alpha = 1;dbn = dbnsetup(dbn, train_x, opts);dbn = dbntrain(dbn, train_x, opts);%unfold dbn to nnnn = dbnunfoldtonn(dbn, 10);nn.activation_function = 'sigm';%train nnopts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;nn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.10, 'Too big error');```Example: Stacked Auto-Encoders---------------------```matlabfunction test_example_SAEload mnist_uint8;train_x = double(train_x)/255;test_x = double(test_x)/255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);%% ex1 train a 100 hidden unit SDAE and use it to initialize a FFNN% Setup and train a stacked denoising autoencoder (SDAE)rand('state',0)sae = saesetup([784 100]);sae.ae{1}.activation_function = 'sigm';sae.ae{1}.learningRate = 1;sae.ae{1}.inputZeroMaskedFraction = 0.5;opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;sae = saetrain(sae, train_x, opts);visualize(sae.ae{1}.W{1}(:,2:end)')% Use the SDAE to initialize a FFNNnn = nnsetup([784 100 10]);nn.activation_function = 'sigm';nn.learningRate = 1;nn.W{1} = sae.ae{1}.W{1};% Train the FFNNopts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;nn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.16, 'Too big error');```Example: Convolutional Neural Nets---------------------```matlabfunction test_example_CNNload mnist_uint8;train_x = double(reshape(train_x',28,28,60000))/255;test_x = double(reshape(test_x',28,28,10000))/255;train_y = double(train_y');test_y = double(test_y');%% ex1 Train a 6c-2s-12c-2s Convolutional neural network %will run 1 epoch in about 200 second and get around 11% error. %With 100 epochs you'll get around 1.2% errorrand('state',0)cnn.layers = { struct('type', 'i') %input layer struct('type', 'c', 'outputmaps', 6, 'kernelsize', 5) %convolution layer struct('type', 's', 'scale', 2) %sub sampling layer struct('type', 'c', 'outputmaps', 12, 'kernelsize', 5) %convolution layer struct('type', 's', 'scale', 2) %subsampling layer};cnn = cnnsetup(cnn, train_x, train_y);opts.alpha = 1;opts.batchsize = 50;opts.numepochs = 1;cnn = cnntrain(cnn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = cnntest(cnn, test_x, test_y);%plot mean squared errorfigure; plot(cnn.rL);assert(er<0.12, 'Too big error');```Example: Neural Networks---------------------```matlabfunction test_example_NNload mnist_uint8;train_x = double(train_x) / 255;test_x = double(test_x) / 255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);% normalize[train_x, mu, sigma] = zscore(train_x);test_x = normalize(test_x, mu, sigma);%% ex1 vanilla neural netrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);opts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samples[nn, L] = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.08, 'Too big error');%% ex2 neural net with L2 weight decayrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.weightPenaltyL2 = 1e-4; % L2 weight decayopts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex3 neural net with dropoutrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.dropoutFraction = 0.5; % Dropout fraction opts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex4 neural net with sigmoid activation functionrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.activation_function = 'sigm'; % Sigmoid activation functionnn.learningRate = 1; % Sigm require a lower learning rateopts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex5 plotting functionalityrand('state',0)nn = nnsetup([784 20 10]);opts.numepochs = 5; % Number of full sweeps through datann.output = 'softmax'; % use softmax outputopts.batchsize = 1000; % Take a mean gradient step over this many samplesopts.plot = 1; % enable plottingnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex6 neural net with sigmoid activation and plotting of validation and training error% split training data into training and validation datavx = train_x(1:10000,:);tx = train_x(10001:end,:);vy = train_y(1:10000,:);ty = train_y(10001:end,:);rand('state',0)nn = nnsetup([784 20 10]); nn.output = 'softmax'; % use softmax outputopts.numepochs = 5; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 1000; % Take a mean gradient step over this many samplesopts.plot = 1; % enable plottingnn = nntrain(nn, tx, ty, opts, vx, vy); % nntrain takes validation set as last two arguments (optionally)[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');```[![Bitdeli Badge](https://d2weczhvl823v0.cloudfront.net/rasmusbergpalm/deeplearntoolbox/trend.png)](https://bitdeli.com/free "Bitdeli Badge")

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这是本人在两年内准备参加数学建模竞赛搜集到的模型资料,已经经过了本人的筛选和整理,希望能够对准备参加数学建模竞赛的学弟学妹们提供一些帮助!

Synchronized 底层揭秘:从对象头到操作系统管程的演进之路

摘要:JDK1.6对synchronized进行了智能优化,使其成为根据竞争强度动态调整的"智能锁"。其核心机制包括:对象头(MarkWord)记录锁状态,Monitor管理线程队列,以及锁升级策略。锁升级路径为:偏向锁(单线程场景)→轻量级锁(少量竞争,用户态CAS自旋)→重量级锁(激烈竞争,内核态线程挂起)。这种分级机制在性能与安全性间取得平衡:偏向锁优化独占访问,轻量级锁避免线程切换,重量级锁防止CPU空转。理解这一机制有助于掌握Java并发性能优化的底层原理。

2301_79275869的博客 404

synchronized 底层原理详解(含Monitor)

摘要:Java的synchronized关键字通过对象头(MarkWord)和监视器(Monitor)实现线程同步。其采用锁升级策略优化性能:无竞争时使用偏向锁(消除锁开销),轻度竞争时使用轻量级锁(自旋优化),激烈竞争时升级为重量级锁(依赖Monitor)。字节码层面通过monitorenter/monitorexit指令或ACC_SYNCHRONIZED标志实现。synchronized具有自动释放、可重入、非公平等特性,其锁粒度是对象级别的。这种机制在不同并发场景下平衡了性能与线程安全。

m0_73563387的博客 995

从Java对象头到Monitor:揭秘synchronized锁的底层关联

我曾在排查一个线上死锁问题时,通过分析对象内存布局发现:当锁处于不同状态时,Mark Word的结构会动态变化。其实在低竞争场景下,经过锁消除、锁粗化等优化后,synchronized的性能可能更好,毕竟它作为内置锁享受了更多JVM优化特权。JVM会先尝试偏向锁(避免同步开销),失败后再升级为轻量级锁(CAS自旋),最终才会膨胀为重量级锁。当线程首次获取synchronized锁时,JVM会将对象头中的锁标志位从01(无锁/偏向锁)变为10(重量级锁),同时将Mark Word部分替换为指向。

weixin_26765287的博客 335

从JVM对象头看synchronized锁升级

在HotSpot虚拟机中,当我们new对象头: 极其关键,包含了对象的运行状态和类信息。实例数据: 我们定义的业务字段(比如int age,string name等等)。对其填充: JVM要求对象大小必须是8字节的整数倍,不够就拿0占位凑数,这主要是为了CPU的读取效率。对象头通常由两部分组成(如果是数组的话就是三部分):**1.**Klass类型指针指向该对象的方法区元数据(Class信息)。JVM就是靠这根指针确定某对象是谁的示例。

zbx34的博客 534

Synchronized vs ReentrantLock

摘要: 本文比较了Java中的两种锁机制:synchronized和ReentrantLock。synchronized是JVM内置的隐式锁,基于Monitor实现,支持锁升级(偏向锁→轻量级锁→重量级锁),使用简单但功能有限。ReentrantLock是显式锁,基于AQS实现,提供更丰富的功能如可中断、公平锁等。文章详细解析了synchronized的底层原理(包括字节码指令、锁状态转换)和ReentrantLock的AQS实现机制,并区分了对象锁(实例级别)和类锁(Class级别)的概念及其应用场景。

qq_41893505的博客 1238

深入剖析Java synchronized底层原理:从Monitor到锁升级

下面的图示展示了轻量级锁下的锁重入场景——线程0在持有锁的情况下,再次进入method2的同步块(同一线程重入),JVM会在栈中创建新的Lock Record,但Mark Word依然指向第一个Lock Record。· CAS失败:如果有别的线程来竞争,并且CAS更新对象头失败,说明锁已被占用,当前线程会自旋等待(反复尝试,不阻塞)。自旋在用户态进行,不涉及内核切换。· 锁粗化:如果连续多次对同一个对象加锁解锁(比如循环里的加锁),JVM会把它们合并成一次大的加锁,减少获取/释放锁的次数。

2501_91786284的博客 176

Java synchronized 锁升级全过程深度解析:从 Mark Word 到偏向锁、轻量级锁与重量级锁的 HotSpot 实现

本文深入解析Java中synchronized关键字的多级锁升级机制。从对象头Mark Word的位图结构入手,详细阐述了偏向锁(无竞争优化)、轻量级锁(CAS+自旋)和重量级锁(OS阻塞)的实现原理。重点分析了锁状态转换路径、偏向锁撤销的安全点机制、自适应自旋优化策略,以及ObjectMonitor的膨胀逻辑。通过HotSpot源码解析,揭示了synchronized从字节码到JVM底层的完整执行路径。文章还对比了不同JDK版本的锁机制差异,并给出编写锁友好代码的实践建议。最终总结了JVM锁优化的核心思想

xinzhiyishi的博客 1114
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