带你一览 synchronized 核心原理

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 2022-09-25
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前言

java中的锁大家很快就能想到synchronized和lock，那么synchronized实现原理是怎样呢？本文将深入讲解synchronized实现原理。

简介

synchronized关键字保证方法或者代码块在运行时，同一时刻只有一个方法可以进入临界区，同时它还可以保证共享变量的内存可见性。

实现原理

synchronized 可以作用于方法和代码块，具体如下图：

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作用于方法和代码块的实现原理是不同的,代码块采用的是monitorenter、monitorexit指令。而方法采用的是ACC_SYNCHRONIZED指令。

作用于代码块

      public synchronized void test1(){
         synchronized (this)
        {
              System.out.println("this is test method");
        }
      }

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说明：从编译后的源码可以得知，代码块的同步jvm的实现采用的是关键字monitorenter、monitorexit。每个对象都与一个monitor相关联。当且仅当拥有所有者时（被拥有），monitor才会被锁定。执行到monitorenter指令的线程，会尝试去获得对应的monitor。

加锁的实现

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说明：加锁采用是monitorenter指令，每个对象维护着一个记录着被锁次数的计数器, 对象未被锁定时，该计数器为0。线程进入monitor(执行monitorenter指令)时，会把计数器设置为1.当同一个线程再次获得该对象的锁的时候，计数器再次自增.当其他线程想获得该monitor的时候，就会阻塞，直到计数器为0才能成功。

释放锁的实现

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说明:释放锁采用的是monitorexi指令，线程执行monitorexit指令，就会让monitor的计数器减一。如果计数器为0，表明该线程不再拥有monitor。其他线程就允许尝试去获得该monitor。

作用于方法

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说明：当调用一个设置了ACC_SYNCHRONIZED标志的方法，执行线程需要先获得monitor锁，然后开始执行方法，方法执行之后再释放monitor锁，当方法不管是正常return还是抛出异常都会释放对应的monitor锁。实现的流程图如下：

202209252317314586.png

小结

不管是作用于方法还是同步块，其加锁的原理都是通过monitor来实现的，那么monitor如何实现呢？

Monitor实现原理

关于Java Monitor的工作机理如图所示：

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  • 获取monitor的线程,会进入_EntryList队列。
  • 当某个线程获取到对象的monitor后,进入_Owner区域，设置为当前线程,同时计数器_count加1。
  • 如果线程调用了wait()方法，则会进入_WaitSet队列。它会释放monitor锁，即将_owner赋值为null,_count自减1,进入_WaitSet队列阻塞等待。
  • 如果其他线程调用 notify() / notifyAll() ，会唤醒_WaitSet中的某个线程，该线程再次尝试获取monitor锁，成功即进入_Owner区域。
  • 同步方法执行完毕了，线程退出临界区，会将monitor的owner设为null，并释放监视锁。

小结

虽然monitor我们已经知道了相关的实现原理，但是monitor与对象又是如何进行关联呢?

对象与monitor关联

对象与monitor的关联其原理图如下：

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对象结构

在虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头、实例数据和对象填充。

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  • 实例数据：对象真正存储的有效信息，存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息；
  • 对齐填充：由于虚拟机要求 对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐。
  • 对象头：Hotspot虚拟机的对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Class Pointer（类型指针）。

对象头

而对象头又分为：Mark Word、类型指针、数组长度。

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  • Mark Word：主要用于存储自身运行时数据
  • 类型指针：指向方法区中该 class的对象，JVM 通过此字段来判断当前对象是哪个类的实例
  • 数组长度：当且仅当对象是数组时才会有该字段。

Mark Word

Mark Word 用于存储对象自身的运行时数据，包含哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等。

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说明：当锁其膨胀成重量级锁后，其他竞争的线程进来就不会自旋了，而是直接阻塞等待，并且 Mark Word 中的内容会变成一个监视器(monitor)对象，用来统一管理排队的线程。而monitor对象与每个对象都会关联。monitor对象本质上是一个同步机制，保证了同时只有一个线程能够进入临界区，在 HotSpot的虚拟机中，是由C++类ObjectMonitor实现的。