Java对象结构和内部锁

Java对象结构

我们知道每一个Object类都自带锁，在了解锁之前我们先了解Java的对象结构。

Java的对象分为三个部分，主要的部分就是对象头和对象体，填充部分是因为JVM规定对象的起始地址必须为8字节的整数倍，所以在实例不满足8字节的整数倍情况下进行填充，对象头一定满足。

对象头

• Mark Word

  长度为一个JVM字，取决于JVM为32位还是64位；包含了对象的关键信息，例如hashCode, GC分代年龄，锁状态标识，线程持有的锁等

• Class Pointer

  指向对象所属类的Class对象，长度也为一个JVM Word，不过通常可以进行指针压缩

Java内置锁

我们知道了Mark Word中含有对象的锁信息，那Java内置锁有什么信息呢，我们可以分为以下几种状态，注意，这个状态的顺序只能由低到高，是不可逆的，随着竞争的情况升级。

无锁即对象不会被线程竞争，所以不需要锁，在它的Mark Word中也没有锁相关的信息。

这里补充一个概念：安全点是在程序执行期间的所有GC Root已知并且所有堆对象的内容一致的点。

偏向锁

如果一个线程获得了一个对象的锁，但是实际上，不会有其他的线程来和它竞争这个锁，那么此时运用偏向锁应该是最高效的。锁对象的Mark Word的结构中锁标记位变为01，并且记录下线程的ID和标志位，之后线程再次获取该锁时，比较Mark Word中的信息和自己的信息，如果一致就直接进入同步区，无需其他操作。

偏向锁的获取流程：

• 访问Mark Word中偏向锁标志位是否设置成1，锁标志位是否为01——确认为可偏向状态。
• 如果为可偏向状态，则测试线程ID是否指向当前线程，如果是，进入步骤（5），否则进入步骤（3）。
• 如果线程ID并未指向当前线程，则通过CAS操作竞争锁。如果竞争成功，则将Mark Word中线程ID设置为当前线程ID，线程Lock Recrod的obj指向锁对象，然后执行（5）；如果竞争失败，执行（4）。
• 如果CAS获取偏向锁失败，则表示有竞争。当到达全局安全点（safepoint）时获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码。
• 执行同步代码。

偏向锁的释放：

如果出现其他线程竞争锁，检查锁拥有线程是否存活，如果非存活则直接撤销偏向锁，如果存活需要将该线程先挂起，然后升级为轻量级锁，这些操作需要在安全点进行。

轻量级锁

出现竞争时，锁转向轻量级锁。

当一个抢锁线程发现锁对象没有锁定时，它会在栈帧中记录拷贝一份当前锁对象的Mark Word，然后用CAS操作尝试修改对象Mark Word，把标记位修改为00，剩下内容替换为指向线程栈中Displaced Mark Word中的指针，这个操作如果成功，则说明线程此时占有锁对象，可以进入同步区。当锁重入时，DisPlaced Mark Word置空，obj指向对象头，表示为冲入锁。

与偏向锁不同的是，同步区方法执行完毕，轻量级锁会自动释放锁，这是一个CAS操作。

线程竞争过程中，如果一个线程无法CAS替换Mark Word成功，则自旋尝试替换，直到自旋次数达到阈值，膨胀为重量级锁 。

重量级锁

重量级锁采用了监视器机制，Java中每一个对象都关联一个监视器（Monitor），监视器保障代码的互斥，一次只能有一个线程进入临界区，得不到许可的线程将被阻塞。

膨胀到重量级锁后，会指向ObjectMonitor对象，它有以下核心变量：

• _owner指针
• cxq，锁先入队列
• waitSet，阻塞队列
• EntryList，cxq中的线程有资格获取锁进入的队列

线程抢占锁的流程图如下：

Cxq的本质其实是一个单向链表，链表头插实现队列，也就是说在链表头添加入队线程，从队尾获取线程；不过线程进入Cxq之前，会先自旋尝试获取锁，即将owner修改为自己，这样对Cxq中的线程不公平。

当owner线程释放锁时，cxq中的线程会进入entrylist，entrylist中的线程，通常为head节点会被指定为onDeck线程

JVM在释放锁后，让onDeck线程去参与锁竞争，这个过程中会和新入的抢锁线程竞争，所以还是不公平的。

如果一个正在执行的owner线程调用wait方法阻塞，将进入waitset队列，直到被主动唤醒。

下面是notify和wait的执行流程：

这些方法都由监视器完成，监视器在底层交给了操作系统来实现，即OS中熟悉的mutex互斥机制。

CAS与锁

CAS

CAS操作即比较并替换，在Java中通常通过调用Unsafe类的方法进行实现

Unsafe提供的方法为原子性的比较并替换方法，方法接收四个参数:

• 所属的对象
• 所在的位置（是一个long类型的偏移量）
• 预期原值
• 预期更新后的值

Unsafe类通过第一个参数和第二个参数计算对象的具体位置，然后依赖CPU的原子性操作，在相应的位置上获取值，与期望值相比较，如果符合期望值，就将其修改为新值，否则继续自旋更新直到成功

这里说的期望值是我们的方法在进行CAS操作时，先在内存获取的值，进入CAS操作时很可能被其他的线程修改了。

ABA问题

如果一个线程执行某个操作时预期值是A，而它正准备操作时，另一个线程进来把A修改为B，然后再修改为A，回到该线程，预期值仍是A，对它而言可以正确执行操作；然而事实是两个A不能等同于一个A。

解决的方法是可以给对象的引用设置一个唯一的标记，比较时不仅比较值还需要比较标记，二者相等时才能进行正确的修改。

乐观锁和悲观锁

悲观锁

悲观锁悲观的认为并发一定会造成数据冲突。

悲观锁的机制就是独占锁的机制，把同步区加锁防止并发访问，进入区后释放锁，悲观锁具有强烈的独占性和排他性。sychronized中的重量级锁就是典型的悲观锁。悲观锁又能分为共享锁和排他锁，共享锁为只读不写，排他锁为互斥访问的锁。

悲观锁的特点为安全性足够高，加锁和释放合理很难出现并发相关的问题，缺点为悲观锁的开销通常比较大，在竞争不大的情况下，频繁加锁释放，挂起线程会降低效率，同时有可能引起死锁。

乐观锁

乐观锁严格来说加的锁是比较轻量的，它更期望使用数据本身来解决，核心机制就是冲突检测和数据更新，这是乐观锁的思想，CAS是乐观锁的一种实现。

锁的其他类别

公平/非公平锁

这里的公平/非公平指的是线程获得锁的顺序是否按照锁申请的顺序得到的。

可中断/不可中断锁

sycronized使用的内置锁是不可中断锁，这里指的是否可以中断指的是抢锁的过程是否能响应中断，即其他线程调用的Thread.interrput方法是否能在抢锁过程中做出响应。

Lock中的lockInterruptibly和tryLock方法就可以响应抢锁时中断。

可重入锁/不可重入锁

通俗地介绍可重入的概念：当线程请求一个由其它线程持有的对象锁时，该线程会阻塞，而当线程请求由自己持有的对象锁时，如果该锁是重入锁，请求就会成功，否则阻塞。

sycronized的可重入原理

主要依赖的是owner指针和计数器，在owenr指针指向某个线程后，计数器会置1，其他的线程申请锁将阻塞；如果是owner线程再次申请锁，将得到锁，并且将计数器递增；每次线程退出同步区后，计数器减一，直到计数器为0时锁释放。