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Java必會(huì)的Synchronized底層原理剖析

更新時(shí)間：2022年10月19日 15:33:50 作者：一燈架構(gòu)

synchronized作為Java程序員最常用同步工具，很多人卻對(duì)它的用法和實(shí)現(xiàn)原理一知半解，以至于還有不少人認(rèn)為synchronized是重量級(jí)鎖，性能較差，盡量少用。但不可否認(rèn)的是synchronized依然是并發(fā)首選工具，本文就來(lái)詳細(xì)講講

1. synchronized作用

synchronized是Java提供一種隱式鎖，無(wú)需開(kāi)發(fā)者手動(dòng)加鎖釋放鎖。保證多線程并發(fā)情況下數(shù)據(jù)的安全性，實(shí)現(xiàn)了同一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)線程能訪問(wèn)資源，其他線程只能阻塞等待，簡(jiǎn)單說(shuō)就是互斥同步。

2. synchronized用法

先看一下synchronized有哪幾種用法？

使用位置	被鎖對(duì)象	示例代碼
實(shí)例方法	實(shí)例對(duì)象	public synchronized void method() { …… }
靜態(tài)方法	class類(lèi)	public static synchronized void method() { …… }
實(shí)例對(duì)象	實(shí)例對(duì)象	public void method() { Object obj = new Object(); synchronized (obj) { …… } }
類(lèi)對(duì)象	class類(lèi)	public void method() { synchronized (Demo.class) { …… } }
this關(guān)鍵字	實(shí)例對(duì)象	public void method() { synchronized (this) { …… } }

可以看到被鎖對(duì)象只要有兩種，實(shí)例對(duì)象和class類(lèi)。

由于靜態(tài)方法可以通過(guò)類(lèi)名直接訪問(wèn)，所以它跟直接加鎖在class類(lèi)上是一樣的。
當(dāng)在實(shí)例方法、實(shí)例對(duì)象、this關(guān)鍵字上面加鎖的時(shí)候，鎖定范圍都是當(dāng)前實(shí)例對(duì)象。
實(shí)例對(duì)象上面的鎖和class類(lèi)上面的鎖，兩者不互斥。

3. synchronized加鎖原理

當(dāng)我們使用synchronized在方法和對(duì)象上加鎖的時(shí)候，Java底層到底怎么實(shí)現(xiàn)加鎖的？

當(dāng)在類(lèi)對(duì)象上加鎖的時(shí)候，也就是在class類(lèi)加鎖，代碼如下：

/**
 * @author 一燈架構(gòu)
 * @apiNote Synchronized示例
 **/
public class SynchronizedDemo {

    public void method() {
        synchronized (SynchronizedDemo.class) {
            System.out.println("Hello world!");
        }
    }

}

反編譯一下，看一下源碼實(shí)現(xiàn)：

可以看到，底層是通過(guò)monitorenter和monitorexit兩個(gè)關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)的加鎖與釋放鎖，執(zhí)行同步代碼之前使用monitorenter加鎖，執(zhí)行完同步代碼使用monitorexit釋放鎖，拋出異常的時(shí)候也是用monitorexit釋放鎖。

寫(xiě)成偽代碼，類(lèi)似下面這樣：

/**
 * @author 一燈架構(gòu)
 * @apiNote Synchronized示例
 **/
public class SynchronizedDemo {

    public void method() {
        try {
            monitorenter 加鎖;
            System.out.println("Hello world!");
            monitorexit 釋放鎖;
        } catch (Exception e) {
            monitorexit 釋放鎖;
        }
    }

}

當(dāng)在實(shí)例方法上加鎖，底層是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？代碼如下：

/**
 * @author 一燈架構(gòu)
 * @apiNote Synchronized示例
 **/
public class SynchronizedDemo {

    public static synchronized void method() {
        System.out.println("Hello world!");
    }

}

再反編譯看一下底層實(shí)現(xiàn)：

這次只使用了一個(gè)ACC_SYNCHRONIZED關(guān)鍵字，實(shí)現(xiàn)了隱式的加鎖與釋放鎖。其實(shí)無(wú)論是ACC_SYNCHRONIZED關(guān)鍵字，還是monitorenter和monitorexit，底層都是通過(guò)獲取monitor鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)的加鎖與釋放鎖。

而monitor鎖又是通過(guò)ObjectMonitor來(lái)實(shí)現(xiàn)的，虛擬機(jī)中ObjectMonitor數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下（C++實(shí)現(xiàn)的）：

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; // WaitSet 和 EntryList 的節(jié)點(diǎn)數(shù)之和
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0; // 重入次數(shù)
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL; // 持有鎖的線程
    _WaitSet      = NULL; // 處于wait狀態(tài)的線程，會(huì)被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ; // 多個(gè)線程爭(zhēng)搶鎖，會(huì)先存入這個(gè)單向鏈表
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; // 處于等待鎖block狀態(tài)的線程，會(huì)被加入到該列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

圖上展示了ObjectMonitor的基本工作機(jī)制：

當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)一段同步代碼時(shí)，首先會(huì)進(jìn)入 _EntryList 隊(duì)列中等待。
當(dāng)某個(gè)線程獲取到對(duì)象的Monitor鎖后進(jìn)入臨界區(qū)域，并把Monitor中的 _owner 變量設(shè)置為當(dāng)前線程，同時(shí)Monitor中的計(jì)數(shù)器 _count 加1。即獲得對(duì)象鎖。
若持有Monitor的線程調(diào)用 wait() 方法，將釋放當(dāng)前持有的Monitor鎖，_owner變量恢復(fù)為null，_count減1，同時(shí)該線程進(jìn)入 _WaitSet 集合中等待被喚醒。
在_WaitSet 集合中的線程會(huì)被再次放到_EntryList 隊(duì)列中，重新競(jìng)爭(zhēng)獲取鎖。
若當(dāng)前線程執(zhí)行完畢也將釋放Monitor并復(fù)位變量的值，以便其他線程進(jìn)入獲取鎖。

線程爭(zhēng)搶鎖的過(guò)程要比上面展示得更加復(fù)雜。除了_EntryList 這個(gè)雙向鏈表用來(lái)保存競(jìng)爭(zhēng)的線程，ObjectMonitor中還有另外一個(gè)單向鏈表 _cxq，由兩個(gè)隊(duì)列來(lái)共同管理并發(fā)的線程。