很多人一提到锁，自然第一个想到了synchronized，但一直不懂源码实现，现特地追踪到C++层来剥开synchronized的面纱。
网上的很多描述大都不全，让人看了不够爽，看完本章，你将彻底了解synchronized的核心原理。
一、启蒙知识预热
开启本文之前先介绍2个概念
1.1.cas操作
为了提高性能，JVM很多操作都依赖CAS实现，一种乐观锁的实现。本文锁优化中大量用到了CAS，故有必要先分析一下CAS的实现。
CAS：Compare and Swap。
JNI来完成CPU指令的操作：
unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。如果A=V，那么把B赋值给V，返回V；如果A！=V，直接返回V。
打开源码：openjdk\hotspot\src\oscpu\windowsx86\vm\ atomicwindowsx86.inline.hpp，如下图：0
os::is_MP() 这个是runtime/os.hpp，实际就是返回是否多处理器，源码如下：
如上面源代码所示（看第一个int参数即可），LOCK_IF_MP:会根据当前处理器的类型来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。如果程序是在多处理器上运行，就为cmpxchg指令加上lock前缀（lock cmpxchg）。反之，如果程序是在单处理器上运行，就省略lock前缀（单处理器自身会维护单处理器内的顺序一致性，不需要lock前缀提供的内存屏障效果）。
1.2.对象头
HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。
HotSpot虚拟机的对象头(Object
Header)包括两部分信息:
第一部分"Mark Word":用于存储对象自身的运行时数据，
如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等.
第二部分"Klass Pointer"：对象指向它的类的元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。(数组，对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是从数组的元数据中无法确定数组的大小。 )
32位的HotSpot虚拟机对象头存储结构：（下图摘自网络）
图1 32位的HotSpot虚拟机对象头Mark Word组成
为了证实上图的正确性，这里我们看openJDK--》hotspot源码markOop.hpp，虚拟机对象头存储结构：
图2 HotSpot源码markOop.hpp中注释
单词解释：
hash： 保存对象的哈希码
age： 保存对象的分代年龄
biased_lock： 偏向锁标识位
lock： 锁状态标识位
JavaThread*： 保存持有偏向锁的线程ID
epoch： 保存偏向时间戳
上图中有源码中对锁标志位这样枚举：
enum { locked_value = ,//00 轻量级锁
unlocked_value = ,//01 无锁
monitor_value = ,//10 监视器锁，也叫膨胀锁，也叫重量级锁
marked_value = ,//11 GC标记
biased_lock_pattern = 5 //101 偏向锁
};
下面是源码注释：
图3 HotSpot源码markOop.hpp中锁标志位注释
看图3，不管是32/64位JVM，都是1bit偏向锁+2bit锁标志位。上面红框是偏向锁（第一行是指向线程的显示偏向锁，第二行是匿名偏向锁）对应枚举biased_lock_pattern，下面红框是轻量级锁、无锁、监视器锁、GC标记，分别对应上面的前4种枚举。我们甚至能看见锁标志11时，是GC的markSweep(标记清除算法)使用的。（这里就不再拓展了）
对象头中的Mark Word，synchronized源码实现就用了Mark Word来标识对象加锁状态。
二、JVM中synchronized锁实现原理（优化）
大家都知道java中锁synchronized性能较差，线程会阻塞。本节将以图文形式来描述JVM的synchronized锁优化。
在jdk1.6中对锁的实现引入了大量的优化来减少锁操作的开销：
锁粗化（Lock Coarsening）：将多个连续的锁扩展成一个范围更大的锁，用以减少频繁互斥同步导致的性能损耗。 锁消除（Lock Elimination）：JVM及时编译器在运行时，通过逃逸分析，如果判断一段代码中，堆上的所有数据不会逃逸出去从来被其他线程访问到，就可以去除这些锁。 轻量级锁（Lightweight Locking）：JDK1.6引入。在没有多线程竞争的情况下避免重量级互斥锁，只需要依靠一条CAS原子指令就可以完成锁的获取及释放。 偏向锁（Biased Locking）：JDK1.6引入。目的是消除数据再无竞争情况下的同步原语。使用CAS记录获取它的线程。下一次同一个线程进入则偏向该线程，无需任何同步操作。 适应性自旋（Adaptive Spinning）：为了避免线程频繁挂起、恢复的状态切换消耗。产生了忙循环（循环时间固定），即自旋。JDK1.6引入了自适应自旋。自旋时间根据之前锁自旋时间和线程状态，动态变化，用以期望能减少阻塞的时间。
锁升级：偏向锁--》轻量级锁--》重量级锁
2.1.偏向锁
按照之前的HotSpot设计，每次加锁/解锁都会涉及到一些CAS操作（比如对等待队列的CAS操作），CAS操作会延迟本地调用，因此偏向锁的想法是一旦线程第一次获得了监视对象，之后让监视对象“偏向”这个线程，之后的多次调用则可以避免CAS操作。
简单的讲，就是在锁对象的对象头（开篇讲的对象头数据存储结构）中有个ThreaddId字段，这个字段如果是空的，第一次获取锁的时候，就将自身的ThreadId写入到锁的ThreadId字段内，将锁头内的是否偏向锁的状态位置1.这样下次获取锁的时候，直接检查ThreadId是否和自身线程Id一致，如果一致，则认为当前线程已经获取了锁，因此不需再次获取锁，略过了轻量级锁和重量级锁的加锁阶段。提高了效率。
注意：当锁有竞争关系的时候，需要解除偏向锁，进入轻量级锁。
每一个线程在准备获取共享资源时：
第一步，检查MarkWord里面是不是放的自己的ThreadId ,如果是，表示当前线程是处于 “偏向锁”.跳过轻量级锁直接执行同步体。
获得偏向锁如下图：
2.2.轻量级锁和重量级锁
如上图所示：
第二步，如果MarkWord不是自己的ThreadId,锁升级，这时候，用CAS来执行切换，新的线程根据MarkWord里面现有的ThreadId，通知之前线程暂停，之前线程将Markword的内容置为空。
第三步，两个线程都把对象的HashCode复制到自己新建的用于存储锁的记录空间，接着开始通过CAS操作，把共享对象的MarKword的内容修改为自己新建的记录空间的地址的方式竞争MarkWord.
第四步，第三步中成功执行CAS的获得资源，失败的则进入自旋.
第五步，自旋的线程在自旋过程中，成功获得资源(即之前获的资源的线程执行完成并释放了共享资源)，则整个状态依然处于轻量级锁的状态，如果自旋失败 第六步，进入重量级锁的状态，这个时候，自旋的线程进行阻塞，等待之前线程执行完成并唤醒自己.
注意点：JVM加锁流程
偏向锁--》轻量级锁--》重量级锁
从左往右可以升级，从右往左不能降级
三、从C++源码看synchronized
前两节讲了synchronized锁实现原理，这一节我们从C++源码来剖析synchronized。
3.1 同步和互斥
同步：多个线程并发访问共享资源时，保证同一时刻只有一个（信号量可以多个）线程使用。
实现同步的方法有很多，常见四种如下：
1）临界区（CriticalSection，又叫关键段）：通过对多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问。进程内可用。
2）互斥量：互斥量用于线程的互斥。只能为0/1。一个互斥量只能用于一个资源的互斥访问，可跨进程使用。
3）信号量：信号线用于线程的同步。可以为非负整数，可实现多个同类资源的多线程互斥和同步。当信号量为单值信号量是，也可以完成一个资源的互斥访问。可跨进程使用。
4）事件：用来通知线程有一些事件已发生，从而启动后继任务的开始,可跨进程使用。
synchronized的底层实现就用到了临界区和互斥锁（重量级锁的情况下）这两个概念。
3.2 synchronized C++源码
重点来了，之前在第一节中的图1，看过了对象头Mark Word。现在我们从C++源码来剖析具体的数据结构和获取释放锁的过程。
2.2.1 C++中的监视器锁数据结构
oopDesc--继承-->markOopDesc--方法monitor()-->ObjectMonitor-->enter、exit 获取、释放锁
1.oopDesc类
openjdk\hotspot\src\share\vm\oops\oop.hpp下oopDesc类是JVM对象的*基类,故每个object都包含markOop。如下图所示：
class oopDesc {
friend class VMStructs;
private:
volatile markOop _mark;//markOop:Mark Word标记字段
union _metadata {
Klass* _klass;//对象类型元数据的指针
narrowKlass _compressed_klass;
} _metadata;
// Fast access to barrier set. Must be initialized.
static BarrierSet* _bs;
public:
markOop mark() const { return _mark; }
markOop* mark_addr() const { return (markOop*) &_mark; }
void set_mark(volatile markOop m) { _mark = m; }
void release_set_mark(markOop m);
markOop cas_set_mark(markOop new_mark, markOop old_mark);
// Used only to re-initialize the mark word (e.g., of promoted
// objects during a GC) -- requires a valid klass pointer
void init_mark();
Klass* klass() const;
Klass* klass_or_null() const volatile;
Klass** klass_addr();
narrowKlass* compressed_klass_addr();
....省略...
}
2.markOopDesc类
openjdk\hotspot\src\share\vm\oops\markOop.hpp下markOopDesc继承自oopDesc，并拓展了自己的方法monitor(),如下图
ObjectMonitor* monitor() const {
assert(has_monitor(), "check");
// Use xor instead of &~ to provide one extra tag-bit check.
return (ObjectMonitor*) (value() ^ monitor_value);
}
该方法返回一个ObjectMonitor*对象指针。
其中value()这样定义：
uintptr_t value() const { return (uintptr_t) this; }
可知：将this转换成一个指针宽度的整数（uintptr_t），然后进行"异或"位操作。
monitor_value是常量
enum { locked_value = ,//00轻量级锁
unlocked_value = ,//01无锁
monitor_value = 2,//10监视器锁，又叫重量级锁
marked_value = ,//11GC标记
biased_lock_pattern = 5 //101偏向锁
};
指针低2位00，异或10，结果还是10.（拿一个模板为00的数，异或一个二位数=数本身。因为异或：“相同为0，不同为1”.操作）
3.ObjectMonitor类
在HotSpot虚拟机中，最终采用ObjectMonitor类实现monitor。
openjdk\hotspot\src\share\vm\runtime\objectMonitor.hpp源码如下：
1 ObjectMonitor() {
2 _header = NULL;//markOop对象头
3 _count = 0;
4 _waiters = 0,//等待线程数
5 _recursions = 0;//重入次数
6 _object = NULL;//监视器锁寄生的对象。锁不是平白出现的，而是寄托存储于对象中。
7 _owner = NULL;//指向获得ObjectMonitor对象的线程或基础锁
8 _WaitSet = NULL;//处于wait状态的线程，会被加入到wait set；
9 _WaitSetLock = 0 ;
10 _Responsible = NULL ;
11 _succ = NULL ;
12 _cxq = NULL ;
13 FreeNext = NULL ;
14 _EntryList = NULL ;//处于等待锁block状态的线程，会被加入到entry set；
15 _SpinFreq = 0 ;
16 _SpinClock = 0 ;
17 OwnerIsThread = 0 ;// _owner is (Thread *) vs SP/BasicLock
18 _previous_owner_tid = 0;// 监视器前一个拥有者线程的ID
19 }
每个线程都有两个ObjectMonitor对象列表，分别为free和used列表，如果当前free列表为空，线程将向全局global list请求分配ObjectMonitor。
ObjectMonitor对象中有两个队列：_WaitSet 和 _EntryList，用来保存ObjectWaiter对象列表；
2.获取锁流程
synchronized关键字修饰的代码段，在JVM被编译为monitorenter、monitorexit指令来获取和释放互斥锁.。
解释器执行monitorenter时会进入到InterpreterRuntime.cpp的InterpreterRuntime::monitorenter函数，具体实现如下：
IRT_ENTRY_NO_ASYNC(void, InterpreterRuntime::monitorenter(JavaThread* thread, BasicObjectLock* elem))
#ifdef ASSERT
thread->last_frame().interpreter_frame_verify_monitor(elem);
#endif
if (PrintBiasedLockingStatistics) {
Atomic::inc(BiasedLocking::slow_path_entry_count_addr());
}
Handle h_obj(thread, elem->obj());
assert(Universe::heap()->is_in_reserved_or_null(h_obj()),
"must be NULL or an object");
if (UseBiasedLocking) {//标识虚拟机是否开启偏向锁功能,默认开启
// Retry fast entry if bias is revoked to avoid unnecessary inflation
ObjectSynchronizer::fast_enter(h_obj, elem->lock(), true, CHECK);
} else {
ObjectSynchronizer::slow_enter(h_obj, elem->lock(), CHECK);
}
assert(Universe::heap()->is_in_reserved_or_null(elem->obj()),
"must be NULL or an object");
#ifdef ASSERT
thread->last_frame().interpreter_frame_verify_monitor(elem);
#endif
IRT_END
先看一下入参：
1、JavaThread thread指向java中的当前线程；
2、BasicObjectLock基础对象锁：包含一个BasicLock和一个指向Object对象的指针oop。
openjdk\hotspot\src\share\vm\runtime\basicLock.hpp中BasicObjectLock类源码如下：
class BasicObjectLock VALUE_OBJ_CLASS_SPEC {
friend class VMStructs;
private:
BasicLock _lock; // the lock, must be double word aligned
oop _obj; // object holds the lock;
public:
// Manipulation
oop obj() const { return _obj; }
void set_obj(oop obj) { _obj = obj; }
BasicLock* lock() { return &_lock; }
// Note: Use frame::interpreter_frame_monitor_size() for the size of BasicObjectLocks
// in interpreter activation frames since it includes machine-specific padding.
static int size() { return sizeof(BasicObjectLock)/wordSize; }
// GC support
void oops_do(OopClosure* f) { f->do_oop(&_obj); }
static int obj_offset_in_bytes() { return offset_of(BasicObjectLock, _obj); }
static int lock_offset_in_bytes() { return offset_of(BasicObjectLock, _lock); }
};
3、BasicLock类型_lock对象主要用来保存：指向Object对象的对象头数据；
basicLock.hpp中BasicLock源码如下：
class BasicLock VALUE_OBJ_CLASS_SPEC {
friend class VMStructs;
private:
volatile markOop _displaced_header;//markOop是不是很熟悉？1.2节中讲解对象头时就是分析的markOop源码
public:
markOop displaced_header() const { return _displaced_header; }
void set_displaced_header(markOop header) { _displaced_header = header; }
void print_on(outputStream* st) const;
// move a basic lock (used during deoptimization
void move_to(oop obj, BasicLock* dest);
static int displaced_header_offset_in_bytes() { return offset_of(BasicLock, _displaced_header); }
};
偏向锁的获取ObjectSynchronizer::fast_enter
在HotSpot中，偏向锁的入口位于openjdk\hotspot\src\share\vm\runtime\synchronizer.cpp文件的ObjectSynchronizer::fast_enter函数：
void ObjectSynchronizer::fast_enter(Handle obj, BasicLock* lock, bool attempt_rebias, TRAPS) {
if (UseBiasedLocking) {
if (!SafepointSynchronize::is_at_safepoint()) {
BiasedLocking::Condition cond = BiasedLocking::revoke_and_rebias(obj, attempt_rebias, THREAD);
if (cond == BiasedLocking::BIAS_REVOKED_AND_REBIASED) {
return;
}
} else {
assert(!attempt_rebias, "can not rebias toward VM thread");
BiasedLocking::revoke_at_safepoint(obj);
}
assert(!obj->mark()->has_bias_pattern(), "biases should be revoked by now");
}
//轻量级锁
slow_enter (obj, lock, THREAD) ;
}
偏向锁的获取由
1、通过
2、判断mark是否为可偏向状态，即mark的偏向锁标志位为 1，锁标志位为 01；
3、判断mark中JavaThread的状态：如果为空，则进入步骤（4）；如果指向当前线程，则执行同步代码块；如果指向其它线程，进入步骤（5）；
4、通过CAS原子指令设置mark中JavaThread为当前线程ID，如果执行CAS成功，则执行同步代码块，否则进入步骤（5）；
5、如果执行CAS失败，表示当前存在多个线程竞争锁，当达到全局安全点（safepoint），获得偏向锁的线程被挂起，撤销偏向锁，并升级为轻量级，升级完成后被阻塞在安全点的线程继续执行同步代码块；
BiasedLocking::revoke_and_rebias方法实现，由于实现比较长，就不贴代码了，实现逻辑如下：1、通过
markOop mark = obj->mark()获取对象的markOop数据mark，即对象头的Mark Word；2、判断mark是否为可偏向状态，即mark的偏向锁标志位为 1，锁标志位为 01；
3、判断mark中JavaThread的状态：如果为空，则进入步骤（4）；如果指向当前线程，则执行同步代码块；如果指向其它线程，进入步骤（5）；
4、通过CAS原子指令设置mark中JavaThread为当前线程ID，如果执行CAS成功，则执行同步代码块，否则进入步骤（5）；
5、如果执行CAS失败，表示当前存在多个线程竞争锁，当达到全局安全点（safepoint），获得偏向锁的线程被挂起，撤销偏向锁，并升级为轻量级，升级完成后被阻塞在安全点的线程继续执行同步代码块；
偏向锁的撤销
只有当其它线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，偏向锁的撤销由BiasedLocking::revoke_at_safepoint方法实现：
void BiasedLocking::revoke_at_safepoint(Handle h_obj) {
assert(SafepointSynchronize::is_at_safepoint(), "must only be called while at safepoint");//校验全局安全点
oop obj = h_obj();
HeuristicsResult heuristics = update_heuristics(obj, false);
if (heuristics == HR_SINGLE_REVOKE) {
revoke_bias(obj, false, false, NULL);
} else if ((heuristics == HR_BULK_REBIAS) ||
(heuristics == HR_BULK_REVOKE)) {
bulk_revoke_or_rebias_at_safepoint(obj, (heuristics == HR_BULK_REBIAS), false, NULL);
}
clean_up_cached_monitor_info();
}
1、偏向锁的撤销动作必须等待全局安全点；
2、暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态；
3、撤销偏向锁，恢复到无锁（标志位为 01）或轻量级锁（标志位为 00）的状态；
偏向锁在Java 1.6之后是默认启用的，但在应用程序启动几秒钟之后才激活，可以使用-XX:BiasedLockingStartupDelay=0参数关闭延迟，如果确定应用程序中所有锁通常情况下处于竞争状态，可以通过XX:-UseBiasedLocking=false参数关闭偏向锁。
轻量级锁的获取
轻量级锁的获取当关闭偏向锁功能，或多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁，会尝试获取轻量级锁，其入口位于ObjectSynchronizer::slow_enter
void ObjectSynchronizer::slow_enter(Handle obj, BasicLock* lock, TRAPS) {
markOop mark = obj->mark();
assert(!mark->has_bias_pattern(), "should not see bias pattern here");
if (mark->is_neutral()) {//是否为无锁状态001
// Anticipate successful CAS -- the ST of the displaced mark must
// be visible <= the ST performed by the CAS.
lock->set_displaced_header(mark);
if (mark == (markOop) Atomic::cmpxchg_ptr(lock, obj()->mark_addr(), mark)) {//CAS成功，释放栈锁
TEVENT (slow_enter: release stacklock) ;
return ;
}
// Fall through to inflate() ...
} else
if (mark->has_locker() && THREAD->is_lock_owned((address)mark->locker())) {
assert(lock != mark->locker(), "must not re-lock the same lock");
assert(lock != (BasicLock*)obj->mark(), "don't relock with same BasicLock");
lock->set_displaced_header(NULL);
return;
}
#if 0
// The following optimization isn't particularly useful.
if (mark->has_monitor() && mark->monitor()->is_entered(THREAD)) {
lock->set_displaced_header (NULL) ;
return ;
}
#endif
// The object header will never be displaced to this lock,
// so it does not matter what the value is, except that it
// must be non-zero to avoid looking like a re-entrant lock,
// and must not look locked either.
lock->set_displaced_header(markOopDesc::unused_mark());
ObjectSynchronizer::inflate(THREAD, obj())->enter(THREAD);
}
1、markOop mark = obj->mark()方法获取对象的markOop数据mark；
2、mark->is_neutral()方法判断mark是否为无锁状态：mark的偏向锁标志位为 0，锁标志位为 01；
3、如果mark处于无锁状态，则进入步骤（4），否则执行步骤（6）；
4、把mark保存到BasicLock对象的_displaced_header字段；
5、通过CAS尝试将Mark Word更新为指向BasicLock对象的指针，如果更新成功，表示竞争到锁，则执行同步代码，否则执行步骤（6）；
6、如果当前mark处于加锁状态，且mark中的ptr指针指向当前线程的栈帧，则执行同步代码，否则说明有多个线程竞争轻量级锁，轻量级锁需要膨胀升级为重量级锁；
假设线程A和B同时执行到临界区if (mark->is_neutral())：
1、线程AB都把Mark Word复制到各自的_displaced_header字段，该数据保存在线程的栈帧上，是线程私有的；
2、Atomic::cmpxchg_ptr原子操作保证只有一个线程可以把指向栈帧的指针复制到Mark Word，假设此时线程A执行成功，并返回继续执行同步代码块；
3、线程B执行失败，退出临界区，通过ObjectSynchronizer::inflate方法开始膨胀锁；
轻量级锁的释放
轻量级锁的释放通过ObjectSynchronizer::slow_exit--->调用ObjectSynchronizer::fast_exit完成。
void ObjectSynchronizer::fast_exit(oop object, BasicLock* lock, TRAPS) {
assert(!object->mark()->has_bias_pattern(), "should not see bias pattern here");
// if displaced header is null, the previous enter is recursive enter, no-op
markOop dhw = lock->displaced_header();
markOop mark ;
if (dhw == NULL) {
// Recursive stack-lock.
// Diagnostics -- Could be: stack-locked, inflating, inflated.
mark = object->mark() ;
assert (!mark->is_neutral(), "invariant") ;
if (mark->has_locker() && mark != markOopDesc::INFLATING()) {
assert(THREAD->is_lock_owned((address)mark->locker()), "invariant") ;
}
if (mark->has_monitor()) {
ObjectMonitor * m = mark->monitor() ;
assert(((oop)(m->object()))->mark() == mark, "invariant") ;
assert(m->is_entered(THREAD), "invariant") ;
}
return ;
}
mark = object->mark() ;
// If the object is stack-locked by the current thread, try to
// swing the displaced header from the box back to the mark.
if (mark == (markOop) lock) {
assert (dhw->is_neutral(), "invariant") ;
if ((markOop) Atomic::cmpxchg_ptr (dhw, object->mark_addr(), mark) == mark) {//成功的释放了锁
TEVENT (fast_exit: release stacklock) ;
return;
}
}
ObjectSynchronizer::inflate(THREAD, object)->exit (true, THREAD) ;//锁膨胀升级
}
1、确保处于偏向锁状态时不会执行这段逻辑；
2、取出在获取轻量级锁时保存在BasicLock对象的mark数据dhw；
3、通过CAS尝试把dhw替换到当前的Mark Word，如果CAS成功，说明成功的释放了锁，否则执行步骤（4）；
4、如果CAS失败，说明有其它线程在尝试获取该锁，这时需要将该锁升级为重量级锁，并释放；
2、取出在获取轻量级锁时保存在BasicLock对象的mark数据dhw；
3、通过CAS尝试把dhw替换到当前的Mark Word，如果CAS成功，说明成功的释放了锁，否则执行步骤（4）；
4、如果CAS失败，说明有其它线程在尝试获取该锁，这时需要将该锁升级为重量级锁，并释放；
重量级锁
重量级锁通过对象内部的监视器（monitor）实现，其中monitor的本质是依赖于底层操作系统的Mutex Lock实现，操作系统实现线程之间的切换需要从用户态到内核态的切换，切换成本非常高。
锁膨胀过程
锁的膨胀过程通过ObjectSynchronizer::inflate函数实现
ObjectMonitor * ATTR ObjectSynchronizer::inflate (Thread * Self, oop object) {
// Inflate mutates the heap ...
// Relaxing assertion for bug 6320749.
assert (Universe::verify_in_progress() ||
!SafepointSynchronize::is_at_safepoint(), "invariant") ;
for (;;) {//自旋
const markOop mark = object->mark() ;
assert (!mark->has_bias_pattern(), "invariant") ;
// The mark can be in one of the following states:
// * Inflated - just return
// * Stack-locked - coerce it to inflated
// * INFLATING - busy wait for conversion to complete
// * Neutral - aggressively inflate the object.
// * BIASED - Illegal. We should never see this
// CASE: inflated已膨胀，即重量级锁
if (mark->has_monitor()) {//判断当前是否为重量级锁
ObjectMonitor * inf = mark->monitor() ;//获取指向ObjectMonitor的指针
assert (inf->header()->is_neutral(), "invariant");
assert (inf->object() == object, "invariant") ;
assert (ObjectSynchronizer::verify_objmon_isinpool(inf), "monitor is invalid");
return inf ;
}
// CASE: inflation in progress - inflating over a stack-lock.膨胀等待（其他线程正在从轻量级锁转为膨胀锁）
// Some other thread is converting from stack-locked to inflated.
// Only that thread can complete inflation -- other threads must wait.
// The INFLATING value is transient.
// Currently, we spin/yield/park and poll the markword, waiting for inflation to finish.
// We could always eliminate polling by parking the thread on some auxiliary list.
if (mark == markOopDesc::INFLATING()) {
TEVENT (Inflate: spin while INFLATING) ;
ReadStableMark(object) ;
continue ;
}
// CASE: stack-locked栈锁（轻量级锁）
// Could be stack-locked either by this thread or by some other thread.
//
// Note that we allocate the objectmonitor speculatively, _before_ attempting
// to install INFLATING into the mark word. We originally installed INFLATING,
// allocated the objectmonitor, and then finally STed the address of the
// objectmonitor into the mark. This was correct, but artificially lengthened
// the interval in which INFLATED appeared in the mark, thus increasing
// the odds of inflation contention.
//
// We now use per-thread private objectmonitor free lists.
// These list are reprovisioned from the global free list outside the
// critical INFLATING...ST interval. A thread can transfer
// multiple objectmonitors en-mass from the global free list to its local free list.
// This reduces coherency traffic and lock contention on the global free list.
// Using such local free lists, it doesn't matter if the omAlloc() call appears
// before or after the CAS(INFLATING) operation.
// See the comments in omAlloc().
if (mark->has_locker()) {
ObjectMonitor * m = omAlloc (Self) ;//获取一个可用的ObjectMonitor
// Optimistically prepare the objectmonitor - anticipate successful CAS
// We do this before the CAS in order to minimize the length of time
// in which INFLATING appears in the mark.
m->Recycle();
m->_Responsible = NULL ;
m->OwnerIsThread = ;
m->_recursions = ;
m->_SpinDuration = ObjectMonitor::Knob_SpinLimit ; // Consider: maintain by type/class
markOop cmp = (markOop) Atomic::cmpxchg_ptr (markOopDesc::INFLATING(), object->mark_addr(), mark) ;
if (cmp != mark) {//CAS失败//CAS失败，说明冲突了，自旋等待//CAS失败，说明冲突了，自旋等待//CAS失败，说明冲突了，自旋等待
omRelease (Self, m, true) ;//释放监视器锁
continue ; // Interference -- just retry
}
// We've successfully installed INFLATING (0) into the mark-word.
// This is the only case where 0 will appear in a mark-work.
// Only the singular thread that successfully swings the mark-word
// to 0 can perform (or more precisely, complete) inflation.
//
// Why do we CAS a 0 into the mark-word instead of just CASing the
// mark-word from the stack-locked value directly to the new inflated state?
// Consider what happens when a thread unlocks a stack-locked object.
// It attempts to use CAS to swing the displaced header value from the
// on-stack basiclock back into the object header. Recall also that the
// header value (hashcode, etc) can reside in (a) the object header, or
// (b) a displaced header associated with the stack-lock, or (c) a displaced
// header in an objectMonitor. The inflate() routine must copy the header
// value from the basiclock on the owner's stack to the objectMonitor, all
// the while preserving the hashCode stability invariants. If the owner
// decides to release the lock while the value is 0, the unlock will fail
// and control will eventually pass from slow_exit() to inflate. The owner
// will then spin, waiting for the 0 value to disappear. Put another way,
// the 0 causes the owner to stall if the owner happens to try to
// drop the lock (restoring the header from the basiclock to the object)
// while inflation is in-progress. This protocol avoids races that might
// would otherwise permit hashCode values to change or "flicker" for an object.
// Critically, while object->mark is 0 mark->displaced_mark_helper() is stable.
// 0 serves as a "BUSY" inflate-in-progress indicator.
// fetch the displaced mark from the owner's stack.
// The owner can't die or unwind past the lock while our INFLATING
// object is in the mark. Furthermore the owner can't complete
// an unlock on the object, either.
markOop dmw = mark->displaced_mark_helper() ;
assert (dmw->is_neutral(), "invariant") ;
//CAS成功，设置ObjectMonitor的_header、_owner和_object等
// Setup monitor fields to proper values -- prepare the monitor
m->set_header(dmw) ;
// Optimization: if the mark->locker stack address is associated
// with this thread we could simply set m->_owner = Self and
// m->OwnerIsThread = 1. Note that a thread can inflate an object
// that it has stack-locked -- as might happen in wait() -- directly
// with CAS. That is, we can avoid the xchg-NULL .... ST idiom.
m->set_owner(mark->locker());
m->set_object(object);
// TODO-FIXME: assert BasicLock->dhw != 0.
// Must preserve store ordering. The monitor state must
// be stable at the time of publishing the monitor address.
guarantee (object->mark() == markOopDesc::INFLATING(), "invariant") ;
object->release_set_mark(markOopDesc::encode(m));
// Hopefully the performance counters are allocated on distinct cache lines
// to avoid false sharing on MP systems ...
if (ObjectMonitor::_sync_Inflations != NULL) ObjectMonitor::_sync_Inflations->inc() ;
TEVENT(Inflate: overwrite stacklock) ;
if (TraceMonitorInflation) {
if (object->is_instance()) {
ResourceMark rm;
tty->print_cr("Inflating object " INTPTR_FORMAT " , mark " INTPTR_FORMAT " , type %s",
(void *) object, (intptr_t) object->mark(),
object->klass()->external_name());
}
}
return m ;
}
// CASE: neutral 无锁
// TODO-FIXME: for entry we currently inflate and then try to CAS _owner.
// If we know we're inflating for entry it's better to inflate by swinging a
// pre-locked objectMonitor pointer into the object header. A successful
// CAS inflates the object *and* confers ownership to the inflating thread.
// In the current implementation we use a 2-step mechanism where we CAS()
// to inflate and then CAS() again to try to swing _owner from NULL to Self.
// An inflateTry() method that we could call from fast_enter() and slow_enter()
// would be useful.
assert (mark->is_neutral(), "invariant");
ObjectMonitor * m = omAlloc (Self) ;
// prepare m for installation - set monitor to initial state
m->Recycle();
m->set_header(mark);
m->set_owner(NULL);
m->set_object(object);
m->OwnerIsThread = ;
m->_recursions = ;
m->_Responsible = NULL ;
m->_SpinDuration = ObjectMonitor::Knob_SpinLimit ; // consider: keep metastats by type/class
if (Atomic::cmpxchg_ptr (markOopDesc::encode(m), object->mark_addr(), mark) != mark) {
m->set_object (NULL) ;
m->set_owner (NULL) ;
m->OwnerIsThread = ;
m->Recycle() ;
omRelease (Self, m, true) ;
m = NULL ;
continue ;
// interference - the markword changed - just retry.
// The state-transitions are one-way, so there's no chance of
// live-lock -- "Inflated" is an absorbing state.
}
// Hopefully the performance counters are allocated on distinct
// cache lines to avoid false sharing on MP systems ...
if (ObjectMonitor::_sync_Inflations != NULL) ObjectMonitor::_sync_Inflations->inc() ;
TEVENT(Inflate: overwrite neutral) ;
if (TraceMonitorInflation) {
if (object->is_instance()) {
ResourceMark rm;
tty->print_cr("Inflating object " INTPTR_FORMAT " , mark " INTPTR_FORMAT " , type %s",
(void *) object, (intptr_t) object->mark(),
object->klass()->external_name());
}
}
return m ;
}
}
膨胀过程的实现比较复杂，大概实现过程如下：
1、整个膨胀过程在自旋下完成；
2、
3、
4、如果当前锁处于膨胀中（上图33-37行），说明该锁正在被其它线程执行膨胀操作，则当前线程就进行自旋等待锁膨胀完成，这里需要注意一点，虽然是自旋操作，但不会一直占用cpu资源，每隔一段时间会通过os::NakedYield方法放弃cpu资源，或通过park方法挂起；如果其他线程完成锁的膨胀操作，则退出自旋并返回；
5、如果当前是轻量级锁状态（上图58-138行），即锁标识位为 00，膨胀过程如下：
1、整个膨胀过程在自旋下完成；
2、
mark->has_monitor()方法判断当前是否为重量级锁（上图18-25行），即Mark Word的锁标识位为 10，如果当前状态为重量级锁，执行步骤（3），否则执行步骤（4）；3、
mark->monitor()方法获取指向ObjectMonitor的指针，并返回，说明膨胀过程已经完成；4、如果当前锁处于膨胀中（上图33-37行），说明该锁正在被其它线程执行膨胀操作，则当前线程就进行自旋等待锁膨胀完成，这里需要注意一点，虽然是自旋操作，但不会一直占用cpu资源，每隔一段时间会通过os::NakedYield方法放弃cpu资源，或通过park方法挂起；如果其他线程完成锁的膨胀操作，则退出自旋并返回；
5、如果当前是轻量级锁状态（上图58-138行），即锁标识位为 00，膨胀过程如下：
- 通过omAlloc方法，获取一个可用的ObjectMonitor monitor，并重置monitor数据；
- 通过CAS尝试将Mark Word设置为markOopDesc:INFLATING，标识当前锁正在膨胀中，如果CAS失败，说明同一时刻其它线程已经将Mark Word设置为markOopDesc:INFLATING，当前线程进行自旋等待膨胀完成；
- 如果CAS成功，设置monitor的各个字段：_header、_owner和_object等，并返回；
6、如果是无锁（中立，上图150-186行），重置监视器值；
monitor竞争
当锁膨胀完成并返回对应的monitor时，并不表示该线程竞争到了锁，真正的锁竞争发生在ObjectMonitor::enter方法中。
void ATTR ObjectMonitor::enter(TRAPS) {
// The following code is ordered to check the most common cases first
// and to reduce RTS->RTO cache line upgrades on SPARC and IA32 processors.
Thread * const Self = THREAD ;
void * cur ;
cur = Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_owner, NULL) ;
if (cur == NULL) {//CAS成功
// Either ASSERT _recursions == 0 or explicitly set _recursions = 0.
assert (_recursions == , "invariant") ;
assert (_owner == Self, "invariant") ;
// CONSIDER: set or assert OwnerIsThread == 1
return ;
}
if (cur == Self) {//重入锁
// TODO-FIXME: check for integer overflow! BUGID 6557169.
_recursions ++ ;
return ;
}
if (Self->is_lock_owned ((address)cur)) {
assert (_recursions == , "internal state error");
_recursions = ;
// Commute owner from a thread-specific on-stack BasicLockObject address to
// a full-fledged "Thread *".
_owner = Self ;
OwnerIsThread = ;
return ;
}
// We've encountered genuine contention.
assert (Self->_Stalled == , "invariant") ;
Self->_Stalled = intptr_t(this) ;
// Try one round of spinning *before* enqueueing Self
// and before going through the awkward and expensive state
// transitions. The following spin is strictly optional ...
// Note that if we acquire the monitor from an initial spin
// we forgo posting JVMTI events and firing DTRACE probes.
if (Knob_SpinEarly && TrySpin (Self) > ) {
assert (_owner == Self , "invariant") ;
assert (_recursions == , "invariant") ;
assert (((oop)(object()))->mark() == markOopDesc::encode(this), "invariant") ;
Self->_Stalled = ;
return ;
}
assert (_owner != Self , "invariant") ;
assert (_succ != Self , "invariant") ;
assert (Self->is_Java_thread() , "invariant") ;
JavaThread * jt = (JavaThread *) Self ;
assert (!SafepointSynchronize::is_at_safepoint(), "invariant") ;
assert (jt->thread_state() != _thread_blocked , "invariant") ;
assert (this->object() != NULL , "invariant") ;
assert (_count >= , "invariant") ;
// Prevent deflation at STW-time. See deflate_idle_monitors() and is_busy().
// Ensure the object-monitor relationship remains stable while there's contention.
Atomic::inc_ptr(&_count);
EventJavaMonitorEnter event;
{ // Change java thread status to indicate blocked on monitor enter.
JavaThreadBlockedOnMonitorEnterState jtbmes(jt, this);
DTRACE_MONITOR_PROBE(contended__enter, this, object(), jt);
if (JvmtiExport::should_post_monitor_contended_enter()) {
JvmtiExport::post_monitor_contended_enter(jt, this);
}
OSThreadContendState osts(Self->osthread());
ThreadBlockInVM tbivm(jt);
Self->set_current_pending_monitor(this);
// TODO-FIXME: change the following for(;;) loop to straight-line code.
for (;;) {
jt->set_suspend_equivalent();
// cleared by handle_special_suspend_equivalent_condition()
// or java_suspend_self()
EnterI (THREAD) ;
...省略... }
1、通过CAS尝试把monitor的_owner字段设置为当前线程；
2、如果设置之前的_owner指向当前线程，说明当前线程再次进入monitor，即重入锁，执行_recursions ++ ，记录重入的次数；
3、如果之前的_owner指向的地址在当前线程中，这种描述有点拗口，换一种说法：之前_owner指向的BasicLock在当前线程栈上，说明当前线程是第一次进入该monitor，设置_recursions为1，_owner为当前线程，该线程成功获得锁并返回；
4、如果获取锁失败，则等待锁的释放；
2、如果设置之前的_owner指向当前线程，说明当前线程再次进入monitor，即重入锁，执行_recursions ++ ，记录重入的次数；
3、如果之前的_owner指向的地址在当前线程中，这种描述有点拗口，换一种说法：之前_owner指向的BasicLock在当前线程栈上，说明当前线程是第一次进入该monitor，设置_recursions为1，_owner为当前线程，该线程成功获得锁并返回；
4、如果获取锁失败，则等待锁的释放；
monitor等待
monitor竞争失败的线程，通过自旋执行ObjectMonitor::EnterI方法等待锁的释放，EnterI方法的部分逻辑实现如下：
ObjectWaiter node(Self) ;
Self->_ParkEvent->reset() ;
node._prev = (ObjectWaiter *) 0xBAD ;
node.TState = ObjectWaiter::TS_CXQ ; // Push "Self" onto the front of the _cxq.
// Once on cxq/EntryList, Self stays on-queue until it acquires the lock.
// Note that spinning tends to reduce the rate at which threads
// enqueue and dequeue on EntryList|cxq.
ObjectWaiter * nxt ;
for (;;) {
node._next = nxt = _cxq ;
if (Atomic::cmpxchg_ptr (&node, &_cxq, nxt) == nxt) break ; // Interference - the CAS failed because _cxq changed. Just retry.
// As an optional optimization we retry the lock.
if (TryLock (Self) > ) {
assert (_succ != Self , "invariant") ;
assert (_owner == Self , "invariant") ;
assert (_Responsible != Self , "invariant") ;
return ;
}
}
1、当前线程被封装成ObjectWaiter对象node，状态设置成ObjectWaiter::TS_CXQ；
2、在for循环中，通过CAS把node节点push到_cxq列表中，同一时刻可能有多个线程把自己的node节点push到_cxq列表中；
3、node节点push到_cxq列表之后，通过自旋尝试获取锁，如果还是没有获取到锁，则通过park将当前线程挂起，等待被唤醒，实现如下：
2、在for循环中，通过CAS把node节点push到_cxq列表中，同一时刻可能有多个线程把自己的node节点push到_cxq列表中；
3、node节点push到_cxq列表之后，通过自旋尝试获取锁，如果还是没有获取到锁，则通过park将当前线程挂起，等待被唤醒，实现如下：
for (;;) {
if (TryLock (Self) > ) break ;
assert (_owner != Self, "invariant") ;
if ((SyncFlags & ) && _Responsible == NULL) {
Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_Responsible, NULL) ;
}
// park self
if (_Responsible == Self || (SyncFlags & )) {
TEVENT (Inflated enter - park TIMED) ;
Self->_ParkEvent->park ((jlong) RecheckInterval) ;
// Increase the RecheckInterval, but clamp the value.
RecheckInterval *= ;
if (RecheckInterval > ) RecheckInterval = ;
} else {
TEVENT (Inflated enter - park UNTIMED) ;
Self->_ParkEvent->park() ;//当前线程挂起
}
if (TryLock(Self) > 0) break ;
// The lock is still contested.
// Keep a tally of the # of futile wakeups.
// Note that the counter is not protected by a lock or updated by atomics.
// That is by design - we trade "lossy" counters which are exposed to
// races during updates for a lower probe effect.
TEVENT (Inflated enter - Futile wakeup) ;
if (ObjectMonitor::_sync_FutileWakeups != NULL) {
ObjectMonitor::_sync_FutileWakeups->inc() ;
}
++ nWakeups ;
// Assuming this is not a spurious wakeup we'll normally find _succ == Self.
// We can defer clearing _succ until after the spin completes
// TrySpin() must tolerate being called with _succ == Self.
// Try yet another round of adaptive spinning.
if ((Knob_SpinAfterFutile & ) && TrySpin (Self) > ) break ;
// We can find that we were unpark()ed and redesignated _succ while
// we were spinning. That's harmless. If we iterate and call park(),
// park() will consume the event and return immediately and we'll
// just spin again. This pattern can repeat, leaving _succ to simply
// spin on a CPU. Enable Knob_ResetEvent to clear pending unparks().
// Alternately, we can sample fired() here, and if set, forgo spinning
// in the next iteration.
if ((Knob_ResetEvent & ) && Self->_ParkEvent->fired()) {
Self->_ParkEvent->reset() ;
OrderAccess::fence() ;
}
if (_succ == Self) _succ = NULL ;
// Invariant: after clearing _succ a thread *must* retry _owner before parking.
OrderAccess::fence() ;
}
4、当该线程被唤醒时，会从挂起的点继续执行，通过ObjectMonitor::TryLock尝试获取锁，TryLock方法实现如下：
int ObjectMonitor::TryLock (Thread * Self) {
for (;;) {
void * own = _owner ;
if (own != NULL) return ;
if (Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_owner, NULL) == NULL) {//CAS成功，获取锁
// Either guarantee _recursions == 0 or set _recursions = 0.
assert (_recursions == , "invariant") ;
assert (_owner == Self, "invariant") ;
// CONSIDER: set or assert that OwnerIsThread == 1
return ;
}
// The lock had been free momentarily, but we lost the race to the lock.
// Interference -- the CAS failed.
// We can either return -1 or retry.
// Retry doesn't make as much sense because the lock was just acquired.
if (true) return - ;
}
}
其本质就是通过CAS设置monitor的_owner字段为当前线程，如果CAS成功，则表示该线程获取了锁，跳出自旋操作，执行同步代码，否则继续被挂起；
monitor释放
当某个持有锁的线程执行完同步代码块时，会进行锁的释放，给其它线程机会执行同步代码，在HotSpot中，通过退出monitor的方式实现锁的释放，并通知被阻塞的线程，具体实现位于ObjectMonitor::exit方法中。
void ATTR ObjectMonitor::exit(bool not_suspended, TRAPS) {
Thread * Self = THREAD ;
if (THREAD != _owner) {
if (THREAD->is_lock_owned((address) _owner)) {
// Transmute _owner from a BasicLock pointer to a Thread address.
// We don't need to hold _mutex for this transition.
// Non-null to Non-null is safe as long as all readers can
// tolerate either flavor.
assert (_recursions == , "invariant") ;
_owner = THREAD ;
_recursions = ;
OwnerIsThread = ;
} else {
// NOTE: we need to handle unbalanced monitor enter/exit
// in native code by throwing an exception.
// TODO: Throw an IllegalMonitorStateException ?
TEVENT (Exit - Throw IMSX) ;
assert(false, "Non-balanced monitor enter/exit!");
if (false) {
THROW(vmSymbols::java_lang_IllegalMonitorStateException());
}
return;
}
}
if (_recursions != ) {
_recursions--; // this is simple recursive enter
TEVENT (Inflated exit - recursive) ;
return ;
}
...省略...
1、如果是重量级锁的释放，monitor中的_owner指向当前线程，即THREAD == _owner；
2、根据不同的策略（由QMode指定），从cxq或EntryList中获取头节点，通过
2、根据不同的策略（由QMode指定），从cxq或EntryList中获取头节点，通过
ObjectMonitor::ExitEpilog方法唤醒该节点封装的线程，唤醒操作最终由unpark完成，实现如下： void ObjectMonitor::ExitEpilog (Thread * Self, ObjectWaiter * Wakee) {
assert (_owner == Self, "invariant") ;
// Exit protocol:
// 1. ST _succ = wakee
// 2. membar #loadstore|#storestore;
// 2. ST _owner = NULL
// 3. unpark(wakee)
_succ = Knob_SuccEnabled ? Wakee->_thread : NULL ;
ParkEvent * Trigger = Wakee->_event ;
// Hygiene -- once we've set _owner = NULL we can't safely dereference Wakee again.
// The thread associated with Wakee may have grabbed the lock and "Wakee" may be
// out-of-scope (non-extant).
Wakee = NULL ;
// Drop the lock
OrderAccess::release_store_ptr (&_owner, NULL) ;
OrderAccess::fence() ; // ST _owner vs LD in unpark()
if (SafepointSynchronize::do_call_back()) {
TEVENT (unpark before SAFEPOINT) ;
}
DTRACE_MONITOR_PROBE(contended__exit, this, object(), Self);
Trigger->unpark() ;
// Maintain stats and report events to JVMTI
if (ObjectMonitor::_sync_Parks != NULL) {
ObjectMonitor::_sync_Parks->inc() ;
}
}
3、被唤醒的线程，继续执行monitor的竞争；
四.总结
本文重点介绍了Synchronized原理以及JVM对Synchronized的优化。简单来说解决三种场景：
1）只有一个线程进入临界区，偏向锁
2）多个线程交替进入临界区，轻量级锁
3）多线程同时进入临界区，重量级锁
========================================================
参考：
《深入理解 Java 虚拟机》