本文深入探讨Java中的锁机制，包括synchronized关键字的使用方法及其实现原理，解释了Monitor对象的作用，以及对象头中MarkWord的结构和变化，还详细说明了锁升级的过程。
一直对Java中的锁原理理解不够深入，或者在浅尝辄止之后未层真正消化，特此记录。
常规面试的时候，总是会遇到高并发类型的题目，例如，了解synchronize的使用吗，说说你理解的synchronize，诸如此类的问题，想要有一个让人惊艳的回答，必须要全面掌握相关的知识
synchronize使用方式
synchronize常规有两类，一类作用在代码块，一类作用在方法体上
作用在方法体上,获取具体实例对象锁
public synchronize void doSomething(){
// TODO
}
作用在静态方法上,获取类对象锁
public static synchronize void doSomethingStatic(){
//TODO
}
指定具体类对象，获取具体类锁
public void doSomething(){
synchronize(A.class) {
// TODO
}
}
synchronize实现原理
synchronize作用在代码块和方法体实现原理有些差异，作用在代码块中是通过Monitor机制来实现，每个Object对象都有一个关联的Monitor对象,详细信息下文介绍，方法体是通过在menthod_info区域保存了一个u2类型的ACC_SYNCHRONIZED标志来实现
我们先了解一下Java的对象头和Monitor对象
Java对象头
普通对象
|--------------------------------------------------------------|
| Object Header (128 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
| Mark Word (64 bits) | Klass pointer (64 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
普通对象压缩后
|--------------------------------------------------------------|
| Object Header (96 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
| Mark Word (64 bits) | Klass pointer (32 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
包含了两部分 Mark Word和Klass pointer
数组对象
|---------------------------------------------------------------------------------|
| Object Header (128 bits) |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
| Mark Word(64bits) | Klass pointer(32bits) | array length(32bits) |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 6d 01 00 f8 (01101101 00000001 00000000 11111000) (-134217363)
12 4 (object header) 05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
16 20 int [I. N/A
36 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 40 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
Mark Word组成
这部分主要用来存储对象自身的运行时数据，如hashcode、gc分代年龄等。mark word的位长度为JVM的一个Word大小，也就是说32位JVM的Mark word为32位，64位JVM为64位。
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) //markword 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) //markword 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) //klass pointer 类元数据 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
12 1 boolean L.myboolean true // Instance Data 对象实际的数据
13 3 (loss due to the next object alignment) //Padding 对齐填充数据
32位
64位对象头
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Object Header(128bits) |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Mark Word(64bits) | Klass Word(64bits) | State |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| unused:25|identity_hashcode:31|unused:1|age:4|biase_lock:1|lock:2 | OOP to metadata object | Nomal |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| thread:54| epoch:2 |unused:1|age:4|biase_lock:1|lock:2 | OOP to metadata object | Biased |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| ptr_to_lock_record:62 |lock:2 | OOP to metadata object | Lightweight Locked |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| ptr_to_heavyweight_monitor:62 |lock:2 | OOP to metadata object | Heavyweight Locked |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| |lock:2 | OOP to metadata object | Marked for GC |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
enum { locked_value = 0, // 0 00 轻量级锁
unlocked_value = 1,// 0 01 无锁
monitor_value = 2,// 0 10 重量级锁
marked_value = 3,// 0 11 gc标志
biased_lock_pattern = 5 // 1 01 偏向锁
};
Klass对象
即对象指向它的元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针(通过句柄池访问)。
简单引申一下对象的访问方式，我们创建对象的目的就是为了使用它。所以我们的Java程序在运行时会通过虚拟机栈中本地变量表的reference数据来操作堆上对象。但是reference只是JVM中规范的一个指向对象的引用，那这个引用如何去定位到具体的对象呢？因此，不同的虚拟机可以实现不同的定位方式。主要有两种：句柄池和直接指针。
2.1 使用句柄访问
会在堆中开辟一块内存作为句柄池，句柄中储存了对象实例数据（属性值结构体）的内存地址，访问类型数据的内存地址（类信息，方法类型信息），对象实例数据一般也在heap中开辟，类型数据一般储存在方法区中。
优点：reference存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要改变。
缺点：增加了一次指针定位的时间开销。
2.2 使用指针访问
指针访问方式指reference中直接储存对象在heap中的内存地址，但对应的类型数据访问地址需要在实例中存储。
优点：节省了一次指针定位的开销。
缺点：在对象被移动时(如进行GC后的内存重新排列)，reference本身需要被修改。
通过句柄池访问的话，对象的类型指针是不需要存在于对象头中的，但是目前大部分的虚拟机实现都是采用直接指针方式访问。此外如果对象为JAVA数组的话，那么在对象头中还会存在一部分数据来标识数组长度，否则JVM可以查看普通对象的元数据信息就可以知道其大小，看数组对象却不行
3. 对齐填充字节
因为JVM要求java的对象占的内存大小应该是8bit的倍数，所以后面有几个字节用于把对象的大小补齐至8bit的倍数，就不特别介绍了
Montior对象
每个对象都存在着一个 monitor 与之关联，对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式，如monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态。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() {
_header = NULL;
_count = 0; //记录个数
_waiters = 0,
_recursions = 0;
_object = NULL;
_owner = NULL;
_WaitSet = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ;
FreeNext = NULL ;
_EntryList = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
}
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，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，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 WaitSe t集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)。如下图所示
monitor对象存在于每个Java对象的对象头中(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，同时也是notify/notifyAll/wait等方法存在于顶级对象Object中的原因。
实现原理
void onlyMe(Foo f) {
synchronized(f) {
doSomething();
}
}
Method void onlyMe(Foo)
0 aload_1 // Push f
1 dup // Duplicate it on the stack
2 astore_2 // Store duplicate in local variable 2
3 monitorenter // Enter the monitor associated with f
4 aload_0 // Holding the monitor, pass this and...
5 invokevirtual #5 // ...call Example.doSomething()V
8 aload_2 // Push local variable 2 (f)
9 monitorexit // Exit the monitor associated with f
10 goto 18 // Complete the method normally
13 astore_3 // In case of any throw, end up here
14 aload_2 // Push local variable 2 (f)
15 monitorexit // Be sure to exit the monitor!
16 aload_3 // Push thrown value...
17 athrow // ...and rethrow value to the invoker
18 return // Return in the normal case
Exception table:
From To Target Type
4 10 13 any
13 16 13 any
The compiler ensures that at any method invocation completion, a monitorexit instruction will have been executed for each monitorenter instruction executed since the method invocation. This is the case whether the method invocation completes normally (§2.6.4) or abruptly (§2.6.5). To enforce proper pairing of monitorenter and monitorexit instructions on abrupt method invocation completion, the compiler generates exception handlers (§2.10) that will match any exception and whose associated code executes the necessary monitorexit instructions.
Method-level synchronization is performed implicitly, as part of method invocation and return (§2.11.8). A synchronized method is distinguished in the run-time constant pool’s method_info structure (§4.6) by the ACC_SYNCHRONIZED flag, which is checked by the method invocation instructions. When invoking a method for which ACC_SYNCHRONIZED is set, the executing thread enters a monitor, invokes the method itself, and exits the monitor whether the method invocation completes normally or abruptly. During the time the executing thread owns the monitor, no other thread may enter it. If an exception is thrown during invocation of the synchronized method and the synchronized method does not handle the exception, the monitor for the method is automatically exited before the exception is rethrown out of the synchronized method.
锁升级过程
1，当没有被当成锁时，这就是一个普通的对象，Mark Word记录对象的HashCode，锁标志位是01，是否偏向锁那一位是0。
2，当对象被当做同步锁并有一个线程A抢到了锁时，锁标志位还是01，但是否偏向锁那一位改成1，前23bit记录抢到锁的线程id，表示进入偏向锁状态。
3，当线程A再次试图来获得锁时，JVM发现同步锁对象的标志位是01，是否偏向锁是1，也就是偏向状态，Mark Word中记录的线程id就是线程A自己的id，表示线程A已经获得了这个偏向锁，可以执行同步锁的代码。
4，当线程B试图获得这个锁时，JVM发现同步锁处于偏向状态，但是Mark Word中的线程id记录的不是B，那么线程B会先用CAS操作试图获得锁，这里的获得锁操作是有可能成功的，因为线程A一般不会自动释放偏向锁。如果抢锁成功，就把Mark Word里的线程id改为线程B的id，代表线程B获得了这个偏向锁，可以执行同步锁代码。如果抢锁失败，则继续执行步骤5。
5，偏向锁状态抢锁失败，代表当前锁有一定的竞争，偏向锁将升级为轻量级锁。JVM会在当前线程的线程栈中开辟一块多带带的空间，里面保存指向对象锁Mark Word的指针，同时在对象锁Mark Word中保存指向这片空间的指针。上述两个保存操作都是CAS操作，如果保存成功，代表线程抢到了同步锁，就把Mark Word中的锁标志位改成00，可以执行同步锁代码。如果保存失败，表示抢锁失败，竞争太激烈，继续执行步骤6。
6，轻量级锁抢锁失败，JVM会使用自旋锁，自旋锁不是一个锁状态，只是代表不断的重试，尝试抢锁。从JDK1.7开始，自旋锁默认启用，自旋次数由JVM决定。如果抢锁成功则执行同步锁代码，如果失败则继续执行步骤7。
7，自旋锁重试之后如果抢锁依然失败，同步锁会升级至重量级锁，锁标志位改为10。在这个状态下，未抢到锁的线程都会被阻塞。
等待唤醒机制与synchronized
所谓等待唤醒机制本篇主要指的是notify/notifyAll和wait方法，在使用这3个方法时，必须处于synchronized代码块或者synchronized方法中，否则就会抛出IllegalMonitorStateException异常，这是因为调用这几个方法前必须拿到当前对象的监视器monitor对象，也就是说notify/notifyAll和wait方法依赖于monitor对象，在前面的分析中，我们知道monitor 存在于对象头的Mark Word 中(存储monitor引用指针)，而synchronized关键字可以获取 monitor ，这也就是为什么notify/notifyAll和wait方法必须在synchronized代码块或者synchronized方法调用的原因。
参考
Monitor对象头: https://www.artima.com/insidejvm/ed2/threadsynch.html
https://stackoverflow.com/questions/9848616/whats-the-meaning-of-an-objects-monitor-in-java-why-use-this-word
https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-2.html#jvms-2.1
JDK版本文件 https://docs.oracle.com/javase/specs/index.html
深入理解mark word
https://www.fatalerrors.org/a/in-depth-understanding-of-java-object-header-mark-word.html
https://www.jianshu.com/p/5c4f441bf142
https://blog.youkuaiyun.com/javazejian/article/details/72828483
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