看了synchronized源码,请别和我说它慢
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(给ImportNew加星标,提高Java技能)
作者:think123(本文来自作者投稿)
模板解释器
我们都知道 Java 之所以可以一次编译到处运行,完全是因为字节码的原因,字节码就相当于中间层屏蔽了底层细节。但是想要在机器执行,最终还是要翻译成机器指令。
而 JVM 是通过 C/C++ 来编写的。Java 程序编译后,会产生很多字节码指令,每一个字节码指令在 JVM 底层执行的时候又会编程一堆 C 代码,这一堆 C 代码在编译之后又会编程很多的机器指令。这样我们的 Java 代码到最终执行的机器指令那一层,所产生的机器指令时指数级的。这也就导致了 Java 执行效率低下。
早期的 JVM 是因为解释执行慢而被人诟病,那么有没有办法优化这个问题呢?我们发现,之所以慢是因为 Java 和机器指令之间隔了一层 C/C++,而 GCC 之类的编译器又不能做到绝对的智能编译,其产生的机器码效率就不是很高。因此我们只要跳过 C/C++ 这个层次,直接将 Java 字节码和本地机器码进行一个对应就可以了。
因此 HotSpot 的工程师们废弃了早期的解释执行器,而采用了模板执行器。所谓的模板就是将一个 Java 字节码通过人工手动的方式编写为固定模式的机器指令,这部分不在需要 GCC 的帮助。这样就可以大大减少最终需要执行的机器指令,所以才能提高效率。
在 OpenJDK12 源码中,JVM 所有的解释器都在 src/hotspot/share/interpreter 目录下,templateInterpreter.cpp 就是模板解释器的代码位置。分析这里的 initialize 方法,我们可以在 templateTable.cpp 中找到和 synchronized 相关的两个指令(monitorenter、monitorexit)的实现方式。当然这里面还有其他我们熟悉的指令,比如 invokedynamic、newarray 等指令。
def(Bytecodes::_monitorenter, ____|disp|clvm|____, atos, vtos, monitorenter, _);
def(Bytecodes::_monitorexit, ____|____|clvm|____, atos, vtos, monitorexit, _ );
monitorenter 执行逻辑
这里倒数第二个参数的 monitorenter 函数和 monitorexit 函数是对应字节码的机器码模板的位置。这里我们看下 monitorenter 的实现。因为机器码的实现和 CPU 相关,这里我们看下 x86 的实现(templateTable_x86.cpp)。当然也可以在 src/hotspot/cpu 下看到其他的实现,比如 PPC、ARM、S390等。
void TemplateTable::monitorenter() {
...
// 将要锁的对象指针放到 BasicObjectLock 的 obj 变量中
__ movptr(Address(rmon, BasicObjectLock::obj_offset_in_bytes()), rax);
// 跳转执行 lock_object 函数
__ lock_object(rmon);
...
}
void InterpreterMacroAssembler::lock_object(Register lock_reg) {
// 如果使用重量级锁,则直接进入 monitorenter() 执行
if (UseHeavyMonitors) {
call_VM(noreg,
CAST_FROM_FN_PTR(address, InterpreterRuntime::monitorenter),
lock_reg);
} else {
...
// 对象指针存入 obj_reg
movptr(obj_reg, Address(lock_reg, obj_offset));
// 关于偏向锁的处理
if (UseBiasedLocking) {
// lock_reg : 存储指向 BasicObjectLock 的指针
// obj_reg : 存储锁对象的指针
// slow_case : 标记,类似于 goto, 这里指的是 InterpreterRuntime::monitorenter()
// done: 标记,标志着获取锁成功。
// slow_case 和 done 也被传入,这样在 biased_locking_enter() 中,就可以根据情况跳到这两处了。
biased_locking_enter(lock_reg, obj_reg, swap_reg, tmp_reg, false, done, &slow_case);
}
...
// slow_case逻辑,需要进入 InterpreterRuntime::monitorenter() 中获取锁。
bind(slow_case);
// 为 slow_case 调用运行时方法
call_VM(noreg,
CAST_FROM_FN_PTR(address, InterpreterRuntime::monitorenter),
lock_reg);
// 这里的 done 和上面传入到偏向锁的 done 是一样的。直接跳到这表明获取锁成功,接下来就会返回进行字节码的执行了。
bind(done);
}
}
从代码可以看出,如果启用了重量级锁,那么就直接走重量级锁的逻辑(monitorenter);不然会先处理偏向锁的逻辑,然后不满足会再回到 monitorenter 中。
偏向锁:-XX:+UseBiasedLocking,
JDK1.6 之后默认启用 重量级锁:-XX:+UseHeavyMonitors
偏向锁、轻量级锁以及重量级锁
我们提到了重量级锁和偏向锁,这两个是什么意思呢?
我们都知道 Java 的线程是映射到操作系统的原生线程之上的。无论是是阻塞还是唤醒一个线程,都需要操作系统的帮助,这就需要从用户态转换到核心态中。而很多人说 synchronized 慢也正是由于这个原因。之前的文章也说过 synchronized 实际上是通过操作系统的互斥量来实现的,而这也被称为重量级锁。
相对于重量级锁,还有一个叫做轻量级锁。它的加锁不是通过操作系统来实现的,而是通过 CAS 配合 Mark Word 一起实现的,后面我会通过源码来展示它的实现方式。
而偏向锁相对于轻量级锁更加轻量,这里的偏向指的是偏向某一个线程。如果只有一个线程来获取锁,那么锁对象就会偏向这个线程,如果在接下来的执行过程中,该锁没有被其他的线程获取,则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。
接下来,我们沿着源码从 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁 这样来分析 JVM 是如何进行优化的。
内存布局
在分析锁实现之前,你可能要先去看看上一篇文章,看看对象在内存中的布局。这里我贴一张图让你再重温下。
锁状态转化及对象 Mark Word 的关系
实际上,锁的优化逻辑在 JDK 中的 Wiki 中已经有一个提纲挈领的图了。这里我先贴出来,后面的代码分析也会跟着这张图走。
偏向锁
偏向锁的启动
偏向锁会在虚拟机启动后的4秒之后才会生效,我们可以从 hotspot/share/runtime/biasedLocking.cpp 看到这样的设定。
void BiasedLocking::init() {
if (UseBiasedLocking) {
if (BiasedLockingStartupDelay > 0) {
EnableBiasedLockingTask* task = new EnableBiasedLockingTask(BiasedLockingStartupDelay);
task->enroll();
} else {
VM_EnableBiasedLocking op(false);
VMThread::execute(&op);
}
}
}
// 上面的 task 最终会调用这个方法,将锁对象的类的 mark word 的后三位设置为 101
static void enable_biased_locking(InstanceKlass* k) {
k->set_prototype_header(markOopDesc::biased_locking_prototype());
}
BiasedLockingStartupDelay 默认时间是4000毫秒,所以会在启动4秒之后启动一个定时任务来设置开启偏向锁的设定。
我们可以通过 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来设置马上启动偏向锁。这里也填了上一篇的一个坑。
java -XX:+PrintFlagsFinal | grep BiasedLockingStartupDelay
定时任务会调用 enable_biased_locking 方法,将锁对象的类的 Mark Word 的后三个字节设置为101。锁对象类的 Mark Word 被称为 prototype_header,记住这个下面分析偏向锁的时候会用到。
MyObject obj = new MyObject();
synchronized(obj) {
doSomething();
}
上面 Java 代码中锁对象是 obj,其所属类型是 MyObject(obj 是 MyObject 的一个实例)。而 prototype header 实际上就是 MyObject 的 Mark Word。
偏向锁申请
biased_locking_enter() 方法比较长,所以我们一段一段来分析。以下代码片段均来自于 hotspot/cpu/x86/macroAssembler_x86.cpp::biased_locking_enter 中。
Address mark_addr (obj_reg, oopDesc::mark_offset_in_bytes());
// ... 省略部分代码 ...
Label cas_label;
int null_check_offset = -1;
// 如果 swap_reg 中没存 mark_addr,那么就先将 mark_addr 存入 swap_reg 中
if (!swap_reg_contains_mark) {
null_check_offset = offset();
movptr(swap_reg, mark_addr);
}
// 将对象的 mark_addr,即 markOop 指针移入 tmp_reg 中
movptr(tmp_reg, swap_reg);
// 将 tmp_reg 和 biased_lock_mask_in_place(111) 进行与操作,
// 取出 markOop 中后三位,即(是否偏向锁+锁标志位)
andptr(tmp_reg, markOopDesc::biased_lock_mask_in_place);
// 查看 Mark Word 后三位是否为5(biased_lock_pattern 为5, 即101),
// 如果不相等,则表明不为偏向锁状态,跳往 cas_label. 否则即为偏向锁状态
cmpptr(tmp_reg, markOopDesc::biased_lock_pattern);
jcc(Assembler::notEqual, cas_label);
2. 判断锁对象 Mark Word 中是否包含当前线程地址,最后三位标志位是否相同,且 epoch 值和类的 epoch 值是否相等?如果都相同,那么当前线程持有该偏向锁,可以直接返回。不然执行第3步。
// 将类的 prototype_header(Mark Word) 加载到 tmp_reg 中
load_prototype_header(tmp_reg, obj_reg);
// 将当前线程地址和类的的 prototype_header 相或,
// 这样得到的结果为
// (当前线程 id + prototype_header 中的 (epoch + 分代年龄 + 偏向锁标志 + 锁标志位))
orptr(tmp_reg, r15_thread);
// 将上面计算得到的结果与锁对象的 markOop 进行异或,
// 得到一个结果 diff (相等的位被置为0)
xorptr(tmp_reg, swap_reg);
Register header_reg = tmp_reg;
// 将 header_reg 中除了分代年龄之外的其他位取了出来,
// 即将上面异或得到的结果中分代年龄给忽略掉。
andptr(header_reg, ~((int) markOopDesc::age_mask_in_place));
// 如果除了分代年龄,对象的 markOop 和 (当前线程地址+其他位)相等,
// 那么上面与操作的结果应该为 0.
// 表明对象之前已经偏向当前线程, 那么跳到 done 处,执行同步代码块中的代码,
// 否则表明当前线程还不是偏向锁的持有者,会接着往下走.
jcc(Assembler::equal, done);
需要注意的是这里会得到一个异或结果 header_reg,会在后面的步骤中使用到。
testptr(header_reg, markOopDesc::biased_lock_mask_in_place);
jccb(Assembler::notZero, try_revoke_bias);
header_reg 中存储的是 (当前线程 id
+ prototype_header 中的 (epoch + 分代年龄 + 偏向锁标志 + 锁标志位)) 和锁对象 Mark
Word 异或的结果。我们要查看 后三位 (biased_lock_mask_in_place 的值是111) 的结果是否为0?如果不为0,表示之前异或时锁对象的 Mark
Word 后三位和对象所属类的后三位不一致,所以对象所属类不再支持偏向锁,此时需要跳转到 try_revoke_bias 进行移除偏向锁操作。
这个 testptr 的实现实际上是获取第一个参数多少位的值。多少位是根据第二个参数的二进制长度来决定的。
执行到这里,表示锁对象以及类对象都支持偏向锁,但是并不是偏向的当前线程。所以,接下来会判断异或结果中的 epoch 是否为0?如果为0,则跳转到第5步执行;如果不为0,则证明锁过期了,跳转到第7步执行重新偏向逻辑。
// 测试锁对象的 epoch 值和锁对象类的 epoch 是否相等,
// 如果不相等,则证明锁过期了,需要重新偏向
testptr(header_reg, markOopDesc::epoch_mask_in_place);
jccb(Assembler::notZero, try_rebias);
5. 表明锁对象还未偏向任何线程,则可以尝试去获取锁,使得对象偏向当前线程。
// 取出对象 Mark Word 中除线程地址之外的其他位
andptr(swap_reg,
markOopDesc::biased_lock_mask_in_place | markOopDesc::age_mask_in_place | markOopDesc::epoch_mask_in_place);
// 将其他位移动至 tmp_reg
movptr(tmp_reg, swap_reg);
// 将其他位和当前线程进行或,构造成一个新的完整的 Mark Word, 存入 tmp_reg 中.
// 新的 Mark Word 因为保存了当前线程地址,所以会偏向当前线程.
orptr(tmp_reg, r15_thread);
// 尝试利用 CAS 操作将新构成的 Mark Word 存入锁对象的 mark_addr(Mark Word),
// 如果设置成功,则获取偏向锁成功. cmpxchgptr 操作会强制将 rax寄存器(swap_reg)中内容作为老数据,
// 与第二个参数,在这里即 mark_addr 处的内容进行比较。
// 如果相等,则将第一个参数的内容,即 tmp_reg 中的新数据,存入 mark_addr
cmpxchgptr(tmp_reg, mark_addr); // 比较 tmp_reg 和 swap_reg
// 上面 CAS 操作失败的情况下,表明对象头中的 markOop 数据已经被篡改,即有其他线程已经获取到偏向锁.
// 因为偏向锁不容许多个线程访问同一个锁对象,所以需要跳到 slow_case(InterpreterRuntime::monitorenter)处,去撤销该对象的偏向锁,并进行锁升级。
if (slow_case != NULL) {
jcc(Assembler::notZero, *slow_case);
}
// 上面 CAS 成功的情况下,直接就跳往 done 处,回去执行方法的字节码了.
jmp(done);
6. try_revoke_bias 使用 CAS 操作,重置 Mark Word。撤销偏向锁后后续所有操作都走轻量级锁的加锁过程。try_revoke_bias 和 try_rebias 的代码定义也在 biased_locking_enter 中。
bind(try_revoke_bias);
// 类的 prototype_header 中已经支持偏向锁的位了,即这个类的所有对象都不再支持偏向锁了.
// 但是当前对象仍为偏向锁状态,所以我们需要重置下当前对象的 markOop 为无锁态.
// 将锁对象所属类的 prototype_header送入 tmp_reg.
load_prototype_header(tmp_reg, obj_reg);
// 尝试用 CAS 操作,使对象的 markOop 重置为无锁态.
// 这里是否失败无所谓,即使失败了,也表明其他线程已经移除了对象的偏向锁标志.
cmpxchgptr(tmp_reg, mark_addr);
7. try_rebias 就是将使得锁对象重新偏向当前线程,如果失败则走 slow_case(InterpreterRuntime::monitorenter) 进行偏向锁撤销逻辑。
bind(try_rebias);
// 将锁对象所属类的 prototype_header 送入 tmp_reg
load_prototype_header(tmp_reg, obj_reg);
// 将当前线程地址和类的的 prototype header(Mark Word) 相或,这样得到的结果为
// (当前线程 id + prototype_header 中的 (epoch + 分代年龄 + 偏向锁标志 + 锁标志位))
orptr(tmp_reg, r15_thread);
// 尝试用 CAS 操作,成功表示重偏向加锁成功
cmpxchgptr(tmp_reg, mark_addr);
// 如果 CAS 失败,则表明 Mark Word 已经被其他线程更改,
// 需要跳往 slow_case 进行撤销偏向锁,否则跳往 done 处,执行字节码.
if (slow_case != NULL) {
jcc(Assembler::notZero, *slow_case);
}
jmp(done);
偏向锁的撤销
slow_case(偏向锁的撤销)的逻辑是在 InterpreterRuntime::monitorenter 中。
IRT_ENTRY_NO_ASYNC(void, InterpreterRuntime::monitorenter(JavaThread* thread, BasicObjectLock* elem))
Handle h_obj(thread, elem->obj());
if (UseBiasedLocking) {
// 如果偏向锁发生重新调用,会快速重试避免 inflation
ObjectSynchronizer::fast_enter(h_obj, elem->lock(), true, CHECK);
} else {
ObjectSynchronizer::slow_enter(h_obj, elem->lock(), CHECK);
}
IRT_END
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");
// 移除偏向锁
BiasedLocking::revoke_at_safepoint(obj);
}
assert(!obj->mark()->has_bias_pattern(), "biases should be revoked by now");
}
slow_enter(obj, lock, THREAD);
}
BiasedLocking::revoke_and_rebias 也会再重试下看能否使用偏向锁,逻辑基本和上面分析的一致。你要是看了这里面的代码你还会发现如果你调用了 System.identityHashCode() 是会移除偏向锁的。
由于偏向锁的移除需要在全局安全点的时候执行,所以如果当有大量线程竞争同一个锁资源时,我们可以通过关闭偏向锁来调优系统性能。
接下来,我们来看 revoke_at_safepoint 会做哪些事情。
// 增加 revoke 次数
if (revocation_count <= BiasedLockingBulkRevokeThreshold) {
revocation_count = k->atomic_incr_biased_lock_revocation_count();
}
// 如果 revoke 次数等于 BiasedLockingBulkRevokeThreshold (默认40)
if (revocation_count == BiasedLockingBulkRevokeThreshold) {
return HR_BULK_REVOKE;
}
// 如果 revoke 次数等于 BiasedLockingBulkRebiasThreshold(默认20)
if (revocation_count == BiasedLockingBulkRebiasThreshold) {
return HR_BULK_REBIAS;
}
return HR_SINGLE_REVOKE;
2. 如果撤销次数等于 BiasedLockingBulkRebiasThreshold (默认20),则认为类对象还可以重偏向,因此要做以下操作(bulk rebias)。
if (klass->prototype_header()->has_bias_pattern()) {
int prev_epoch = klass->prototype_header()->bias_epoch();
// 将类对象的 prototype_header 中的 epoch 值加1
klass->set_prototype_header(klass->prototype_header()->incr_bias_epoch());
int cur_epoch = klass->prototype_header()->bias_epoch();
// 遍历所有线程的栈,找到所有类对象的实例,将它们 Mark Word 中的 epoch 值加1
for (; JavaThread *thr = jtiwh.next(); ) {
GrowableArray<MonitorInfo*>* cached_monitor_info = get_or_compute_monitor_info(thr);
for (int i = 0; i < cached_monitor_info->length(); i++) {
MonitorInfo* mon_info = cached_monitor_info->at(i);
oop owner = mon_info->owner();
markOop mark = owner->mark();
if ((owner->klass() == k_o) && mark->has_bias_pattern()) {
assert(mark->bias_epoch() == prev_epoch || mark->bias_epoch() == cur_epoch, "error in bias epoch adjustment");
owner->set_mark(mark->set_bias_epoch(cur_epoch));
}
}
}
}
// 到此位置,已经完成调给定对象地 header 以调用其偏向锁
revoke_bias(o, attempt_rebias_of_object && klass->prototype_header()->has_bias_pattern(), true, requesting_thread, NULL);
在 bulk rebias 过程中,首先会将类对象的 epoch 值加1,然后遍历所有线程的栈。找到所有该类对象的实例,将它们的 epoch 值加1。最后会移除掉锁对象的偏向信息。
如果想查看 bulk revoke bias 的过程以及结果,你可以使用这个回答
https://stackoverflow.com/questions/46312817/does-java-ever-rebias-an-individual-lock 中的代码。
将类对象的 prototype header 设置为不可偏向状态;
遍历所有线程的栈,找到所有类的实例,修改 Mark word 的状态位为001以及对应的 Lock Record 并将偏向锁修改为轻量级锁。
轻量级锁
轻量级锁的代码实现是在 slow_enter 方法里面。
void ObjectSynchronizer::slow_enter(Handle obj, BasicLock* lock, TRAPS) {
// 省略其他代码。。。
// 判断是否是无锁状态
if (mark->is_neutral()) {
// 直接把 mark 保存到 BasicLock 对象的 _displaced_header 字段
lock->set_displaced_header(mark);
// 通过 CAS 将 mark word 更新为指向 BasicLock 对象的指针,更新成功表示获得了轻量级锁
if (mark == obj()->cas_set_mark((markOop) lock, mark)) {
return;
}
}
...
}
class BasicLock {
private volatile markOop _displaced_header;
}
首先判断 Mark Word 是否是中立的,即 Mark Word 的最后三个字节的值是否为1(001)。如果是中立的,则表示此时处于未锁定且不可偏向。
因此,首先会将锁对象的 Mark Word 放入到 lock 对象(这就是我们常说的 Lock Record)的 displaced_header 属性中,然后使用 CAS 将对象的 Mark Word 更新为指向 Lock Record 的指针。如果更新成功,表示这个线程就拥有了该对象的锁并且 Mark Word 的锁标志位(Mark Word 的最后2bit)将转变为00,即表示此对象处于轻量级锁定状态。
重量级锁
如果 CAS 更新失败,就会膨胀称为重量级锁了。锁标志的状态值也变成10,Mark Word 中存储的就是指向重量级锁的指针,后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。
ObjectSynchronizer::inflate(THREAD,
obj(),
inflate_cause_monitor_enter)->enter(THREAD);
inflate 主要是一些状态的判断,看注释还是比较容易理解的。我们重点看下 enter 函数中的执行逻辑。
void ObjectMonitor::EnterI(TRAPS) {
...
// 已经是锁的持有者直接返回
if (Self->is_lock_owned ((address)cur)) {
assert(_recursions == 0, "internal state error");
_recursions = 1;
_owner = Self;
return;
}
// 为了避免昂贵的线程阻塞、唤醒等操作,会在进入阻塞状态前先自适应自旋
if (TrySpin(Self) > 0) {
assert(_owner == Self, "invariant");
assert(_recursions == 0, "invariant");
assert(((oop)(object()))->mark() == markOopDesc::encode(this), "invariant");
Self->_Stalled = 0;
return;
}
...
}
在重量级锁的判定中,不会马上去申请锁。而是会先自适应自旋几次看能否获取到锁,如果不能再去申请锁。
自适应的自旋锁会由前一次在同一个锁上的自旋时间,以及锁的拥有者状态来决定。如果同一个锁上自旋刚获得,那么就认为这次也有很大几率获取到就多自旋几次。如果对于某个锁说自旋很少获取到,就认为没戏,不自旋直接去挂起了。
for (;;) {
if (TryLock(Self) > 0) break;
...
if ((SyncFlags & 2) && _Responsible == NULL) {
Atomic::replace_if_null(Self, &_Responsible);
}
// self 执行 park
if (_Responsible == Self || (SyncFlags & 1)) {
TEVENT(Inflated enter - park TIMED);
Self->_ParkEvent->park((jlong) recheckInterval);
recheckInterval *= 8;
if (recheckInterval > MAX_RECHECK_INTERVAL) {
recheckInterval = MAX_RECHECK_INTERVAL;
}
} else {
TEVENT(Inflated enter - park UNTIMED);
Self->_ParkEvent->park();
}
if (TryLock(Self) > 0) break;
...
}
然后,再去申请锁之前还要自旋(贼心不死),最后没成功才会 park 当前线程。而 park 的实现就是我们之前文章提到过的 pthread 的实现。
void os::PlatformEvent::park() {
...
int status = pthread_mutex_lock(_mutex);
...
status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex);
...
status = pthread_mutex_unlock(_mutex);
}
自旋状态还带来另外一个副作用,那便是不公平的锁机制。处于阻塞状态的线程,并没有办法立刻竞争被释放的锁。然而,处于自旋状态的线程则很有可能优先获得这把锁。
当线程获取到重量级锁之后,就可以执行方法了。但是,即使锁被释放之后也不会被恢复到最初的那种无锁状态了。
好消息和坏消息
我们可以看到偏向锁非常之负责,为了支持偏向锁整个代码复杂度大幅度提升,而许多受益于偏向锁的应用程序都是早期 Java 集合 API,比如 HashTable、Vector 等。
所以好消息是,在 JDK15 就把偏向锁禁用了并在以后删除它。坏消息是,现在大部分应用使用的都是 JDK8 并且还会使用很多年。
巨人的肩膀
《深入理解JVM虚拟机》
《深入拆解Java虚拟机》
https://stackoverflow.com/questions/46312817/does-java-ever-rebias-an-individual-lock
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.94.8487&rep=rep1&type=pdf
https://createchance.github.io/post/java-并发之基石篇
https://zhuanlan.zhihu.com/p/34662715
https://www.zhihu.com/question/55075763
Java 并发编程:Synchronized 及其实现原理
死磕 Java 并发:深入分析 synchronized 的实现原理
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