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Java程序员必会Synchronized底层原理剖析原创

1月前
187955
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!");
        }
    }

}
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;
        }
    }

}
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!");
    }

}
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 ;
  }
 
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。
 
我是「一灯架构」,如果本文对你有帮助,欢迎各位小伙伴点赞、评论和关注,感谢各位老铁,我们下期见

 

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