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标题: Java程序员必会Synchronized底层原理剖析 [打印本页]

作者: 南飓风 时间: 2022-10-19 15:33
标题: Java程序员必会Synchronized底层原理剖析
synchronized作为Java程序员最常用同步工具，很多人却对它的用法和实现原理一知半解，以至于还有不少人认为synchronized是重量级锁，性能较差，尽量少用。
但不可否认的是synchronized依然是并发首选工具，连volatile、CAS、ReentrantLock都无法动摇synchronized的地位。synchronized是工作面试中的必备技能，今天就跟着一灯一块深入剖析synchronized的底层原理。
1. synchronized作用

synchronized是Java提供一种隐式锁，无需开发者手动加锁释放锁。保证多线程并发情况下数据的安全性，实现了同一个时刻只有一个线程能访问资源，其他线程只能阻塞等待，简单说就是互斥同步。
2. synchronized用法

先看一下synchronized有哪几种用法？
使用位置被锁对象示例代码实例方法实例对象public synchronized void method() {
……
}静态方法class类public static synchronized void method() {
……
}实例对象实例对象public void method() {
Object obj = new Object();
synchronized (obj) {
      ……
}
}类对象class类public void method() {
synchronized (Demo.class) {
      ……
}
}this关键字实例对象public void method() {
synchronized (this) {
      ……
}
}可以看到被锁对象只要有两种，实例对象和class类。

由于静态方法可以通过类名直接访问，所以它跟直接加锁在class类上是一样的。
当在实例方法、实例对象、this关键字上面加锁的时候，锁定范围都是当前实例对象。
实例对象上面的锁和class类上面的锁，两者不互斥。

3. synchronized加锁原理

当我们使用synchronized在方法和对象上加锁的时候，Java底层到底怎么实现加锁的？
当在类对象上加锁的时候，也就是在class类加锁，代码如下：

/**
* @author 一灯架构
* @apiNote Synchronized示例
**/
public class SynchronizedDemo {
public void method() {
synchronized (SynchronizedDemo.class) {
System.out.println("Hello world!");
}
}
}

复制代码

反编译一下，看一下源码实现：

可以看到，底层是通过monitorenter和monitorexit两个关键字实现的加锁与释放锁，执行同步代码之前使用monitorenter加锁，执行完同步代码使用monitorexit释放锁，抛出异常的时候也是用monitorexit释放锁。
写成伪代码，类似下面这样：

/**
* @author 一灯架构
* @apiNote Synchronized示例
**/
public class SynchronizedDemo {
public void method() {
try {
monitorenter 加锁;
System.out.println("Hello world!");
monitorexit 释放锁;
} catch (Exception e) {
monitorexit 释放锁;
}
}
}

复制代码

当在实例方法上加锁，底层是怎么实现的呢？代码如下：

/**
* @author 一灯架构
* @apiNote Synchronized示例
**/
public class SynchronizedDemo {
public static synchronized void method() {
System.out.println("Hello world!");
}
}

复制代码

再反编译看一下底层实现：

这次只使用了一个ACC_SYNCHRONIZED关键字，实现了隐式的加锁与释放锁。其实无论是ACC_SYNCHRONIZED关键字，还是monitorenter和monitorexit，底层都是通过获取monitor锁来实现的加锁与释放锁。
而monitor锁又是通过ObjectMonitor来实现的，虚拟机中ObjectMonitor数据结构如下（C++实现的）：

ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0; // WaitSet 和 EntryList 的节点数之和
_waiters = 0,
_recursions = 0; // 重入次数
_object = NULL;
_owner = NULL; // 持有锁的线程
_WaitSet = NULL; // 处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ; // 多个线程争抢锁，会先存入这个单向链表
FreeNext = NULL ;
_EntryList = NULL ; // 处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
}

复制代码

图上展示了ObjectMonitor的基本工作机制：

当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入 _EntryList 队列中等待。
当某个线程获取到对象的Monitor锁后进入临界区域，并把Monitor中的 _owner 变量设置为当前线程，同时Monitor中的计数器 _count 加1。即获得对象锁。
若持有Monitor的线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的Monitor锁，_owner变量恢复为null，_count减1，同时该线程进入 _WaitSet 集合中等待被唤醒。
在_WaitSet 集合中的线程会被再次放到_EntryList 队列中，重新竞争获取锁。
若当前线程执行完毕也将释放Monitor并复位变量的值，以便其他线程进入获取锁。

线程争抢锁的过程要比上面展示得更加复杂。除了_EntryList 这个双向链表用来保存竞争的线程，ObjectMonitor中还有另外一个单向链表 _cxq，由两个队列来共同管理并发的线程。

下篇再讲一下Synchronized锁优化的过程。

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