1. Implements

volatile:声明后所有线程看到的改变量的值是一样的。写操作时,会添加Lock前缀的汇编。

保证了1. 保证缓存行的数据写回内存;2. 写回的操作会使其他缓存失效。

synchronized:普通的方法,锁是实例;静态同步方法,锁是Class;同步方法块,锁是括号里的对象。

锁保存在对象头,如果是数组,则用三个字宽保存对象头,非数组则用两个自宽保存对象头。

长度 内容 说明
32bit/64bit Mark Word 存储对象的hashCode或者是锁信息
32bit/64bit Class Metadata Address 存储到对象类型的指针
32bit/64bit Array Length 数组的长度,(非数组无该字段)

32位下对象头的存储结构

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|                                    Object Header (64 bits)                             |        State       |
|-------------------------------------------------------|--------------------------------|--------------------|
|                  Mark Word (32 bits)                  |      Klass Word (32 bits)      |                    |
|-------------------------------------------------------|--------------------------------|--------------------|
| identity_hashcode:25 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |      OOP to metadata object    |       Normal       |
|-------------------------------------------------------|--------------------------------|--------------------|
|  thread:23 | epoch:2 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |      OOP to metadata object    |       Biased       |
|-------------------------------------------------------|--------------------------------|--------------------|
|               ptr_to_lock_record:30          | lock:2 |      OOP to metadata object    | Lightweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------------------|--------------------|
|               ptr_to_heavyweight_monitor:30  | lock:2 |      OOP to metadata object    | Heavyweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------------------|--------------------|
|                                              | lock:2 |      OOP to metadata object    |    Marked for GC   |
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锁状态 25bit 4bit 1bit 2bit
状态 对象的hashCode 对象分代年龄 是否是偏向锁 锁标志位

64位下对象头的存储结构

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|                                            Object Header (128 bits)                                        |        State       |
|------------------------------------------------------------------------------|-----------------------------|--------------------|
|                                  Mark Word (64 bits)                         |    Klass Word (64 bits)     |                    |
|------------------------------------------------------------------------------|-----------------------------|--------------------|
| unused:25 | identity_hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |    OOP to metadata object   |       Normal       |
|------------------------------------------------------------------------------|-----------------------------|--------------------|
| thread:54 |       epoch:2        | unused:1 | age:4 | biased_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   |
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锁状态 25bit 31bit 1bit 4bit 1bit 2bit
状态 unused 对象的hashCode cms_free 对象分代年龄 是否偏向锁 锁标志位

可以设置参数-XX:+UseCompressedOops,来进行压缩,参考32bit的PAE实现,可以使JVM的内存超过4G,但不超过32G(超过32G,可以使用-XX:ObjectAlignmentInBytes,来限制压缩的大小,如当对象对齐为 16 字节时,最多可以使用 64 GB 的堆空间和压缩指针),经过压缩后:

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|                                            Object Header (96 bits)                                           |        State       |
|--------------------------------------------------------------------------------|-----------------------------|--------------------|
|                                  Mark Word (64 bits)                           |    Klass Word (32 bits)     |                    |
|--------------------------------------------------------------------------------|-----------------------------|--------------------|
| unused:25 | identity_hashcode:31 | cms_free:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |    OOP to metadata object   |       Normal       |
|--------------------------------------------------------------------------------|-----------------------------|--------------------|
| thread:54 |       epoch:2        | cms_free:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |    OOP to metadata object   |       Biased       |
|--------------------------------------------------------------------------------|-----------------------------|--------------------|
|                         ptr_to_lock_record                            | lock:2 |    OOP to metadata object   | Lightweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------------------|-----------------------------|--------------------|
|                     ptr_to_heavyweight_monitor                        | lock:2 |    OOP to metadata object   | Heavyweight Locked |
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|                                                                       | lock:2 |    OOP to metadata object   |    Marked for GC   |
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偏向锁:大多数情况下,没有锁竞争,偏向锁在等到竞争时才会释放锁。有竞争时 ,会在全局安全点撤销偏向锁。

使用-XX:BiasedeLoackingStartupDelay=0,如果大多数锁处于竞争状态,可以使用-XX:UseBiasedLocking=false关闭,这样程序会默认进入轻量级锁的状态。

轻量级锁:使用CAS操作Mark Word,如果成功,就获得锁;释放时,CAS如果失败,就升级到重量级锁。

重量级锁:在这个状态下,所有获取锁的操作都会被阻塞,持有锁的线程释放后会唤醒这些线程。

优点 缺点 场景
偏向锁 加锁不用额外消耗,效率接近非同步方法 如果有锁竞争,会带来撤销消耗 只有一个线程访问的场景
轻量级锁 线程不会阻塞,提高相应速度 得不到锁竞争的线程会自旋消耗CPU 追求响应时间,执行速度快
重量级锁 线程竞争不用自旋,不会消耗CPU 线程阻塞,响应时间缓慢 追求吞吐量,同步块执行速度较长

ABA问题解决:采用AtomicStampedReference来解决,判断是否时等于预期引用和预期标志,两个都成功则设置。

2. Memory Model

编译器优化重排序:不改变单线程程序语义的情况下,重新安排顺序。

指令级并行的重排序:指令级并行技术(Instruction-Level Parallelism),如果不存在数据依赖性,可以改变指令执行的顺序。

内存系统的重排序:读/写缓冲区,使得读写操作可能的乱序。

屏障类型:LoadLoadBarriers,StoreStoreBarriers,LoadStoreBarriers,StoreLoadBarriers

其中StoreLoadBarriers拥有其他三个屏障的效果,作为全能型屏障。这个屏障开销昂贵,需要将写缓冲的数据全部刷新到内存中。

JDK5开始,采用JSR133原则,使用happens-before来解释内存的可见性:

  1. 程序顺序规则:一个线程中的每一个操作,happens-before于后边的操作
  2. 监视器锁规则:解锁操作happens-before于上锁操作
  3. volatile变量规则:对volatile修饰变量的写操作,happens-before于读操作
  4. 传递性:A happens-before B,B happens-before C,则有A happens-before C

数据依赖性:对同一个变量的写写,写读,读写操作,存在数据依赖,编译器和处理器会遵守数据依赖性。

as-if-serial:排序结果不能影响本来的执行结果。编译器,runtime,处理器都会遵守。

JMM不保证对64位的long和double类型的写操作具有原子性,会把64位的写操作拆成两个32位的操作,虽然这违反了顺序一致性模型。

volatile的写操作前面加StoreStore屏障,后面加StoreLoad屏障;

volatile的写操作后面加LoadLoad屏障,后面加LoadStore屏障。编译器能够通过具体情况省略不必要的屏障。

Java同步器框架AbstractQueuedSynchronizer。

final域保证构造函数内的final域的写入和引用赋值给另一个引用变量这个操作不可以重排序;第一次读final域对象的引用和读取final域中的操作不能重排序。

构造函数final域的写操作,在return前,会插入StoreStore屏障,读final域前会加上LoadLoad屏障,禁止final的写操作重排序到构造函数之外。保证了final读取到的值不会发生改变。

双重锁检查的机制instance = new Instance();实际上会被拆成三行伪代码,在2,3之间会可能发生重排序。

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memory = allocate();  // 1. 分配对象的内存空间
ctorInstance(memory); // 2. 初始化对象,完成后instance != null
instance = memory;    // 3. 设置instance指向刚分配的内存地址

回顾类加载的时机:加载(通过全限定名获取二进制字节流,转化为方法区运行时数据结构,生成java.lang.Class对象),验证(文件格式,元数据,字节码,符号引用),准备(正式分配内存并且初始化值,对应上述代码的1,2步骤),解析(将常量池的符号引用替换为直接引用;符号引用就是一组符号来描述目标,可以是任何字面量。直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。),初始化(初始化阶段是执行初始化方法 <clinit> ()方法的过程,对静态变量/代码块进行初始化,会保证多线程安全性),使用,卸载。

使用volatile后,可以防止2,3之间的重排序。

3. Basic

suspend(), resume(), stop()标记为deprecated,调用后不一定会释放占有的资源。

使用wait(), notify(), notifyAll()之前需要对调用对象加锁。

管道输入输出流,输出与输入进行绑定

4. Lock

AbstractQueuedSynchronizer通过内置的FIFO来实现资源获取线程的排队工作。

当前线程信息和等待状态构造成一个结点,加入队列,同时阻塞线程。同步状态释放时,首结点中的线程将会被唤醒。在尾部加入时,采用CAS判断插入到“应该插入的位置”。

acquire(int arg)获取同步状态,对中断不敏感。读acquiredShared获取共享式的同步状态。

重入锁在获取n次,并释放n次后,其他线程能够获取到该锁,默认非公平,通过组合自定义同步器来实现锁的获取与释放。

读写锁,写状态位S&0x0000FFFF,读状态为S»>16,写锁相当于一个支持重进入的排他锁。