Synchronized底层核心原理

news2024/11/17 23:56:19

前言：大家好，我是小威，24届毕业生，在一家满意的公司实习。本篇文章是关于并发编程中Synchronized锁的底层核心原理知识记录，由于篇幅原因，下篇文章将介绍各种锁的优化原理。
本篇文章记录的基础知识，适合在学Java的小白，也适合复习中，面试中的大佬🤩🤩。
如果文章有什么需要改进的地方还请大佬不吝赐教👏👏。
小威在此先感谢各位大佬啦~~🤞🤞
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以下正文开始

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文章目录

synchronized锁简述
monitor锁的原理
synchronized修饰方法
synchronized修饰代码块
synchronized锁总结

synchronized锁简述

前面说到，synchronized锁用于同步实例方法，同步静态方法和同步代码块。自从Java1.6开始，就对synchronized锁进行了很多方面的优化。对其引入了偏向锁，轻量级锁，适应性自旋锁，锁粗化，锁消除等各种技术方面的优化。

synchronized锁是基于monitor锁实现的，因此在讲解synchronized锁之前，有必要了解一下monitor锁。
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monitor锁的原理

monitor，在中文中有监视器的意思，当创建对象时，每一个创建出来的对象都会关联一个monitor对象，对于一个java对象，当拿到这个monitor对象时，这个monitor对象就会处于锁定的状态，其他对象不会再获取，synchronized锁的本质就是基于进入和退出monitor对象实现的同步方法和同步代码块。

这里首先解释一下wait，notify，notifyAll等方法的各个作用：

wait方法会让进入object监视器的线程进入到WaitSet集合中等待；
notify方法会使在object上正在WaitSet集合上等待的线程中挑一个唤醒线程；
notifyAll方法会让正在WaitSet集合中等待的线程全部唤醒。

而对于monitor，它是基于ObjectMonitor实现的，ObjectMonitor的主要数据结构包括：

owner：owner原本的值为null，它用来指向获取到ObjectMonitor对象的线程。当一个线程获取到ObjectMonitor对象时，这个ObjectMonitor对象就会存储在当前对象的对象头中的Mark
Word中。

WaitSet，这个是ObjectMonitor中的一个集合，同时WaitSet与wait()方法有关。当Owner线程发现条件不满足时，会调用wait方法，使线程进入WaitSet集合中变为WAITING状态。

EntryList，也是ObjectMonitor中的一个集合，同时EntryList与notify()，notifyAll()方法有关。WAITING状态下的线程会在Owner线程调用notify()或notifyAll()等方法时唤醒，但是唤醒之后并不代表着线程会立即拿到锁资源，而是需要进入EntryList集合中进行竞争。

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模拟多线程情况下，同时访问一个被synchronized锁修饰方法时，在JVM底层中的流程如下·：

线程进入EntryList集合时，如果某个线程获取到monitor对象时，这个线程会进入owner中，同时会把monitor对象中的owner变量复制为当前的线程（拿到monitor对象的这个），并且会把monitor对象中的count变量值+1。
如果线程调用wait方法，当前的线程就会释放拿到的monitor对象，并且会把monitor对象中的owner变量值设为null，并且count的值-1。最后，当前线程会进入到WaitSet集合中等待，等候再次被唤醒。
如果是获得monitor对象的线程执行任务完成后，也会进行上面的一系列操作，但不会到WaitSet集合中等待了，因为任务已经执行完了。

synchronized修饰方法

前面说到synchronized锁是基于monitor锁实现的。当synchronized锁修饰方法时，被此锁修饰的方法会比普通方法的常量池中多一个ACC_SYNCHRONIZED标识符。当线程调用了被synchronized锁修饰的方法时，会检查方法中是否设置了此标识符。

如果设置了ACC_SYNCHRONIZED标识符，那么当前的线程会首先获取monitor锁对象，然后执行同步代码中的方法，完成后会释放monitor对象。当然，在多线程情况下，只有一个线程能够获取此monitor对象，并且在该线程释放monitor对象之前，其他线程无法获取此monitor对象。因此在同一时刻，只能有一个线程拿到相同对象的synchronized锁资源。

而当synchronized锁修饰代码块时，与synchronized修饰方法略有不同，接下来详细讲解synchronized修饰代码块的情况。
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synchronized修饰代码块

当synchronized锁修饰代码块时，synchronized关键字会被编译成monitorenter和monitorexit两条指令，其中，monitorenter会放在代码块的前面，而monitorexit会放在代码块的后面。

对于monitorenter指令：

每个对象都拥有一个monitor，当monitor被占用时，就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时会获取monitor的所有权。

当monitor计数为0时，说明该monitor还未被锁定，此时线程会进入monitor并将monitor的计数器设为1，并且该线程就是monitor的所有者。

如果此线程已经获取到了monitor锁，再重新进入monitor锁的话，那么会将计时器count的值加1。

如果有线程已经占用了monitor锁，此时有其他的线程来获取锁，那么此线程将进入阻塞状态，待monitor的计时器count变为0，这个线程才会获取到monitor锁。

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对于monitorexit指令：

首先，只有拿到了monitor锁对象的线程才会执行monitorexit指令。

其次就是，在执行monitorexit指令时，计时器count的值会减1，当count的值减到0时，当前的线程才会退出monitor，此时的线程不再是monitor的所有者，当然执行后，其他线程可以获取当前monitor锁的所有权。

通过对简单代码进行反编译来举例：

public class SynchronizedTest {
    public void synchronize(){
        synchronized (this){
            System.out.println("hello world");
        }
    }
}

执行 javap -c SynchronizedTest.class指令得到以下字节码：

public class Synchronized.SynchronizedTest {
  public Synchronized.SynchronizedTest();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return
  public void synchronize();
    Code:
       0: aload_0
       1: dup
       2: astore_1
       3: monitorenter
       4: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       7: ldc           #3                  // String hello world
       9: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      12: aload_1
      13: monitorexit
      14: goto          22
      17: astore_2
      18: aload_1
      19: monitorexit
      20: aload_2
      21: athrow
      22: return
    Exception table:
       from    to  target type
           4    14    17   any
          17    20    17   any
}