关于Java中synchronized的实现原理

news2024/11/23 6:50:53

并发编程的三个理念

原子性：一个操作要么全部完成，要么全部失败。
可见性：当一个线程对共享变量进行修改后，其他线程也应立刻看到。
有序性：程序按照顺序执行

synchronized基本使用

修饰静态方法，锁的是类，Class字节码对象
修饰实例方法，锁的是当前实例对象
修饰代码块，锁的是当前指定的对象

原理

在JDK1.6之前，synchronized是重量级锁，是独占锁，在JDK6中，引入了偏向锁和轻量级锁，同时synchronized支持锁升级，降低了synchronized的性能消耗。
我们以synchronized的重量级锁为例，来讲解原理。

同步代码块

当一个线程访问同步代码块时，首先要获取到锁才能执行同步代码块，当退出或抛出异常时必须要释放锁
我们这里有一个同步代码块

public void add() {
	synchronized (this) {
		int i = 1;
		int b = i + 3;
	}
}

利用javap反编译看这段代码的字节码指令

可以看到，synchronized是通过monitorenter和monitorexit这一组字节码指令来完成对临界资源的互斥访问

monitorenter标志进入同步代码块
monitorexit标志退出同步代码块。

我们知道，任意一个对象都可以作为锁对象。
每个锁对象都有一个监视器，叫做Monitor，当Monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取Monitor的使用权，过程如下：

如果Monitor的进入数是0，则该线程进入Monitor，然后将进入量设置为1，该线程即为Monitor的所有者。
如果线程已经占用了该Monitor，只是重新进入，则进入Monitor的进入数加1
如果其他线程已经占用了Monitor，则该线程进入阻塞状态，直到Monitor的进入数为0，在重新尝试获取Monitor的所有权。

Monitor是操作系统中管程的一个实现，管程是操作系统中对同步互斥的一种实现方案，建议先去看看管程。

执行monitorexit的线程必须是锁对象所对应的Monitor的所有者，线程执行monitorexit指令的过程：
monitorexit执行时，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出Monitor，不再是这个Monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个monitor的所有权。

这一组指令必须是成对出现的，不能单独出现，这两个指令是通过操作系统互斥原语mutex来实现的，被阻塞的线程会被挂起、等待重新调度，会导致用户态和内核态之间的来回切换，性能损耗严重。

总结，synchronized底层是通过一个Monitor监视器对象来实现的，线程只有抢占到了Monitor对象的所有权，才有权获取到临界资源，线程之间的wait/notify等方法也是依赖于monitor对象，这就是为什么只有在同步代码块中执行wait/notify，否则抛出异常

同步方法

对于同步方法，即在方法上使用synchronized关键字修饰，在反编译后，并没有看到monitorenter和monitorexit这一组指令。
这是一个同步方法

public synchronized void add() {
		int i = 1;
		int b = i + 3;
}

利用javap 反编译后的结果中，没有monitorenter和monitorexit这一对字节码指令

对于同步方法来说，在常量池中多了一个ACC_SYNCHRONIZED标志位，用来标记该方法是否是一个同步方法，JVM会检查该标志位来完成方法的同步：
当方法被调用时，首先会检查该方法的ACC_SYNCHRONIZED标志位是否被设置

如果设置了，表明该方法是一个同步方法，会先去持有Monitor，然后执行方法体。
在方法执行期间，其他线程都无法获取到同一个Monitor。
如果在方法执行期间发生了无法处理的异常，那么在抛出异常时，会自动释放该Monitor。

无论是同步方法还是同步代码块，这两种同步的本质是没有区别的，都是通过Monitor监视器对象来实现的。

ObjectMonitor

在JVM中，Monitor是由ObjectMonitor实现的，
ObjectMonitor整体上分为两部分，一部分是是这个监控对象的基本信息，表示当前锁的实时状态，一部分表示各种情况下需要获取锁的排队信息。如图所示：

具体的工作流程是：

每个等待锁的线程会被封装成ObjectWaiter对象，当线程需要获取Object Monitor时，将线程封装成ObjectWaiter对象，放入Entry Set集合中。
当线程获取到ObjectMonitor后，就可以获取到临界资源了，同时ObjectMonitor内部的owner属性指向此线程。每个ObjectMonitor同一时刻只有一个线程进入。
如果线程获取到了ObjectMonitor之后，在执行过程中调用了wait()或wait(timeout)方法，则当前线程进入到wait Set集合，并释放持有的ObjectMonitor。
当其他线程进入ObjectMonitor之后，调用notify()或notifyAll()，则wait Set中的线程会被唤醒，重新进入Entry Set去争夺ObjectMonitor
大致的工作流程就是这样。

synchronized的可重入性

从互斥锁的设计上看，当一个线程试图操作另一个线程持有的锁临界资源时，会进入阻塞状态；
当一个线程再次请求自己持有对象锁的临界资源时，请求就会成功。
在Java中，synchronized是基于原子性的内部锁机制，是可重入的，因此在一个线程调用synchronized方法的同时在其方法体内部调用该对象另一个synchronized方法，是可以的

线程获取到了锁之后，再次请求该锁对象的临界资源，是允许的，这就是synchronized的可重入性。
例如:

class MyRun{
    int i = 0;
    int j = 100;
    public synchronized void add(){
        i ++;
        increase(); // 再次获取该对象锁，直接允许，因为当前线程已经持有了该锁
    }
    
    public synchronized void increase(){
        j --;
    }
}

当线程执行到了add()方法，说明该线程已经拥有了该锁，在add()方法中，再次请求increase()方法，因为该方法的锁已经被当前线程持有了，所以直接允许，操作成功，这就是可重入性。

synchronized的优化

锁的状态共有四种：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。
随着线程的竞争激励程度增加，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级到重量级锁，锁的升级是单向的，只能从低到高升级，不会出现锁的降级
可以看我的这篇文章synchronized锁膨胀、锁升级、锁优化

等待唤醒与synchronized

notify()、notifyAll()和wait()这三个方法，就是实现多线程中的等待唤醒机制，使用这三个方法时，必须处于synchronized代码块或synchronized方法中，否则抛出异常，这是因为调用这几个方法前必须要拿到当前锁对象的监视器对象，也就是notify()、notifyAll()、wait()方法依赖于Monitor对象

注意：与sleep()方法不同的是，wait()方法调用完成后，线程会被暂停，线程将会释放当前持有的Monitor，直到其他线程调用notify()或notifyAll()方法后才能重新竞争锁；而sleep()方法只让线程休眠但不释放锁。