Java synchronized重量级锁实现过程浅析

来源：jb51　　时间：2023/2/13 8:43:45　　对本文有异议

一、什么是重量级锁

当有大量的线程都在竞争同一把锁的时候，这个时候加的锁，就是重量级锁。

这个重量级锁其实指的就是JVM内部的ObjectMonitor监视器对象：

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;		//锁对象的原始对象头
    _count        = 0;			//抢占当前锁的线程数量
    _waiters      = 0,			//调用wait方法后等待的线程数量
    _recursions   = 0;			//记录锁重入次数
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;		//指向持有ObjectMonitor的线程
    _WaitSet      = NULL;		//处于wait状态的线程队列,等待被唤醒
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ;		//等待锁的线程队列
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
    _previous_owner_tid = 0;
  }

二、重量级锁的演示

public class HightweightLockDemo02 {
    public static void main(String[] args) {
        Object objLock = new Object();
        new Thread(() -> {
            synchronized (objLock) {
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objLock).toPrintable());
            }
        }, "t1").start();
        new Thread(() -> {
            synchronized (objLock) {
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objLock).toPrintable());
            }
        }, "t2").start();
    }
}

运行程序：

java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 1a 33 c9 e1 (00011010 00110011 11001001 11100001) (-506907878)
4 4 (object header) 43 01 00 00 (01000011 00000001 00000000 00000000) (323)
8 4 (object header) e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 1a 33 c9 e1 (00011010 00110011 11001001 11100001) (-506907878)
4 4 (object header) 43 01 00 00 (01000011 00000001 00000000 00000000) (323)
8 4 (object header) e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

可见，当多个线程共同抢占同一把锁的时候，锁对象MarkWord的最后三位是“010”，代表的就是一个重量级锁。

三、重量级锁的原理

以上述代码为例，synchronized获取的锁是重量级锁，synchronized修饰代码块，使用javap -p -v .\HightweightLockDemo02.class指令查看其字节码：

在编译的时候，JVM会在同步块开始位置插入monitorenter指令，在同步块结束位置插入monitorexit指令。当线程执行到monitorenter指令时，会尝试获取对象所对应的Monitor所有权，如果获取成功，则表示获取到了锁，会在Monitor的_owner中存在当前线程的ID，这样它将处于锁定状态，除非退出同步块，否则其他线程无法获取得到这个Monitor。

四、锁的优缺点对比

下表是对各种状态的锁的对比：

锁的类型	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距	如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗	适用于只有一个线程访问同步块场景
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度	如果始终得不到锁竞争的线程，使用自旋会消耗CPU，导致CPU空转	追求响应时间同步块执行速度非常快
重量级锁	线程竞争不使用自旋，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时间较长