java同步机制之synchronized与lock-part1

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0.从问题出发

1	synchronized vs lock，既生瑜，何生亮？
2	synchronized是如何实现的？
3	所谓对象与monitor关联，是什么意思？
4	synchronized对象时，对象头会有变化。ReentrantLock加锁后，对象头本身变化吗？
5	object的wait()/notify()方法有什么用？
6	hotspot内部是如何实现的？

1.概述

本文意在探讨java两大类同步机制synchronized与锁(基于AbstractQueuedSynchronizer如ReentrantLock)的异同，及其背后的实现原理。首先给出一些结论，后续验证和分析：

前者内置于java语言本身，是语法糖，重在开发便捷性和效率；后者由jdk实现，重在灵活性和性能
synchronized基于monitor概念设计，在jvm内部实现
ReentrantLock等锁基于AQS(AbstractQueuedSynchronizer)，在jdk中实现
偏向/轻量/重量锁等概念是jdk1.6针对synchronized的性能优化，与其它锁机制无关，对其它锁而言，对象头不会变化
synchronized通过Object的wait/notify方法提供隐性条件协作

2.基础概念

2.1 java对象头

任意java对象都包含对象头，以保存相关描述信息

对象头	Mark word

2.2 monitor

monitor是由C.A.R. Hoare等人提出的一种线程同步机制，提供：

互斥功能
线程间协作

ref: ¹ ²

3.对象头在加锁时的变化

3.1 synchronized(偏向/轻量/重量锁)

上述三种锁是jdk1.6为了提升synchronized性能，针对不同场景进行的三种内部优化，这三种实现会修改markword:tag字段。通过jol包打印header取值情况：

Thread.sleep(5000);
    Object o = new Object();
    System.out.println("未进入同步块，MarkWord 为：");
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
    synchronized (o){
    	System.out.println(("进入同步块，MarkWord 为："));
    	System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
    }

object header同步前后变化

至于上述三种内部锁适用于何种场景及其流转，不是本文重点，详见难搞的偏向锁终于被 Java 移除了

3.2 Lock加锁时锁对象头会变化吗？

ReentrantLock rl = new ReentrantLock();
System.out.println("new ReentrantLock: ");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(rl).toPrintable());
rl.lock();
System.out.println("    after locking: ");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(rl).toPrintable());
try {
   System.out.println("    critical running：");
} finally {
   rl.unlock();
   System.out.println("    release locking: ");
   System.out.println(ClassLayout.parseInstance(rl).toPrintable());
}

加锁前后object header无变化

4.synchronized的实现

上述代码编译后字节码：

`synchronized`在编译后, 在jvm内部由指令`monitorenter/monitorexit`实现
the java virtual machine specification 8中的定义

根据描述，当锁对象关联的monitor的entry count：

为0 时，取得锁，成为持有者
不为0当已经持有时，则增1，重入持有
不为0且被其它线程持有，则阻塞

5.所谓每个Object关联一个monitor意味着什么？

根据Monitors and Exceptions : How to Implement Java efficiently: Andreas Krall and Mark Probst

sun的实现是使用锁对象的object identifier在hashmap中关联monitor对象(首次加锁时生成)。当然，实际上各个版本的jvm到底如何实现，还需要具体研究jvm源码，本文暂时止步于此³⁴。有个monitor参考实现⁵

6.synchronized时的线程间协作

通过Object对象中的wait()/notify()方法，二者包含且仅包含了一个隐性Condition变量

7.synchronized锁模型示意

synchronized实现逻辑模型