一文帶你徹底剖析Java中Synchronized原理

更新時間：2023年05月02日 09:59:35 作者：小小小小明明明明明明明明

Synchronized是Java中的隱式鎖，它的獲取鎖和釋放鎖都是隱式的，完全交由JVM幫助我們操作，在了解Synchronized關(guān)鍵字之前，首先要學習的知識點就是Java的對象結(jié)構(gòu)，本文介紹的非常詳細，需要的朋友可以參考下

源碼級別剖析Synchronized

對象結(jié)構(gòu)

Synchronized是Java中的隱式鎖，它的獲取鎖和釋放鎖都是隱式的，完全交由JVM幫助我們操作，在了解Synchronized關(guān)鍵字之前，首先要學習的知識點就是Java的對象結(jié)構(gòu)，因為Synchronized鎖就是存放在Java對象中的，Java對象結(jié)構(gòu)如下圖所示：

可以清晰的看到Java對象由三部分組成，分別是對象頭、實例數(shù)據(jù)、填充數(shù)據(jù)，我們的鎖就存放在對象頭中，接下來我們將對對象結(jié)構(gòu)做一個簡單的解析：

mark-down：對象標記字段占8個字節(jié)，用于存儲有關(guān)鎖的標記位等信息，從圖中可以看出有哈希值、輕量級鎖的標記位、偏向鎖標記位等。
Klass Pointer：Class對象的類型指針，它就是指向當前對象屬于哪個Class類的指針，jdk1.8默認開啟壓縮指針后占用4個字節(jié)，關(guān)閉壓縮指針后占用8個字節(jié)。
對象實際數(shù)據(jù)：這部分內(nèi)容包括對象的所有成員變量，大小由各個成員變量決定，比如byte占用1個字節(jié)、int占用4個字節(jié)等。
對其填充：這部分內(nèi)容僅僅只是做到空間補全，就是一個占位符的作用，因為HotSpot虛擬機的內(nèi)存管理系統(tǒng)要求對象的起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，因此如果出現(xiàn)對象實例沒有對齊的話，就需要通過對其填充來補充。

在mark-down鎖類型標記中，可以看到總共有五種類型，分別是無鎖、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖、GC標記，所以如果只是使用2比特標記是無法完全被表示出來的，所以引入了一位偏向鎖標記，也就是說001為無鎖、101為偏向鎖。

Monitor 對象

上面介紹了對象結(jié)構(gòu)，可以看到在Mark-down中會存儲不同的鎖信息，當鎖的狀態(tài)為重量級鎖（10）時，Mark-down中會存放一個指向Monitor對象的指針，這個Monitor對象也稱為監(jiān)視器鎖。

synchronized的運行機制，就是JVM檢測到共享對象存在不同的競爭情況的時候，會自動切換到適合的鎖實現(xiàn)，這種切換就是鎖的升級、降級。（很多地方都說鎖只能升級，不能降級，其實這種說法是錯誤的，在《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》書中說到，對于偏向鎖來說，它可以進行降級到無鎖狀態(tài)，也叫做偏向鎖的撤銷）。

那么現(xiàn)在就存在著三種不同的Monitor實現(xiàn)，分別是偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖。如果一個Monitor被一個線程持有的時候，就說明這個線程拿到了鎖。

Java中的Monitor是基于C++的ObjectMonitor實現(xiàn)的，它的主要成員包括：

_owner：指向持有ObjectMonitor對象的線程
_WaitSet：存放處于wait狀態(tài)的線程隊列，即調(diào)用wait()方法的線程
_EntryList：存放處于等待鎖Block狀態(tài)的線程隊列
_count：約為_WaitSet+_EntryList的節(jié)點數(shù)之和
_cxq：多個線程爭搶鎖，會先存入這個單向鏈表
_recursions：記錄重入次數(shù)
_object：存儲的Monitor對象

獲取Monitor對象的線程進入_owner區(qū)的時候，_count+1，如果線程調(diào)用了wait()方法，那么會釋放Monitor對象（釋放鎖），_owner恢復為空同時_count-1。此時該線程進入_WaitSet隊列中，等待被喚醒。

從上述的描述可以看出，synchronized關(guān)鍵字獲取鎖的關(guān)鍵在于每個對象的對象頭中，這也就能解釋了為什么synchronized()括號里存放任何對象都能獲得鎖的特征。

Synchronized特征

原子性

原子性，就是說一個操作要么完成，要么不完成，不存在完成一半的情況，也就是說這個操作是不可中斷的。

synchronized可以保證同一時間內(nèi)只有一個線程拿到鎖，進入到代碼塊去執(zhí)行代碼，這樣說如果不能理解，那么就想象下面的一個場景，有一個廁所只有一個坑位，并且?guī)€上鎖了，就是為了防止多人一起上廁所的不文明現(xiàn)象，每個人上廁所都必須要去廁所管理員處繳費，繳費后才能拿到鎖再去上廁所，上完廁所再把要是還給廁所管理員，synchronized就是廁所管理員，保證一次只能有一個人拿到鎖，并且每個人用完廁所之后都必須要歸還鑰匙。

接下來看到下面一個同步加方法：

public static void add() {
    synchronized (Demo.class) {
        counter++;
    }
}

將其進行反編譯后查看代碼：

javap -v -p Demo

public static void add();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC , ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=0
         0: ldc           #12                 // class
         2: dup
         3: astore_0
         4: monitorenter
         5: getstatic     #10                 // Field counter:I
         8: iconst_1
         9: iadd
        10: putstatic     #10                 // Field counter:I
        13: aload_0
        14: monitorexit
        15: goto          23
        18: astore_1
        19: aload_0
        20: monitorexit
        21: aload_1
        22: athrow
        23: return
      Exception table:

可以看到有兩個指令明顯和monitor有關(guān)：

monitorenter：在判斷擁有同步標識 ACC_SYNCHRONIZED 搶先進入此方法的線程會優(yōu)先擁有 Monitor 的 owner ，此時計數(shù)器 +1
monitorexit：當執(zhí)行完退出后，計數(shù)器 -1，歸 0 后被其他進入的線程獲得

可見性

可見性指的是當多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其他的線程能夠立馬感知，能看到修改后的值。（線程的可見性和一個叫JMM的東西息息相關(guān)，后面會寫一篇關(guān)于可見性結(jié)合volatile關(guān)鍵字的文章）

而Synchronized擁有可見性，因為它加鎖和釋放鎖都有如下語義：

線程加鎖前，必須清空工作內(nèi)存中共享變量的值，從而從主內(nèi)存中讀取最新的共享變量的值。
線程釋放鎖時，必須把共享變量的值刷新到主內(nèi)存中。
synchronized的可見性依賴于操作系統(tǒng)內(nèi)核互斥鎖實現(xiàn)，相當于JVM中的lock，unlock，退出代碼塊時需要刷新共享變量到主內(nèi)存中，這一點和volatile關(guān)鍵字不一樣，volatile關(guān)鍵字的可見性是依賴于內(nèi)存屏障（也叫內(nèi)存柵欄）來實現(xiàn)的。