快捷導(dǎo)航

一文帶你徹底剖析Java中Synchronized原理

更新時(shí)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(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)就是Java的對(duì)象結(jié)構(gòu)，本文介紹的非常詳細(xì)，需要的朋友可以參考下

源碼級(jí)別剖析Synchronized

對(duì)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(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)就是Java的對(duì)象結(jié)構(gòu)，因?yàn)镾ynchronized鎖就是存放在Java對(duì)象中的，Java對(duì)象結(jié)構(gòu)如下圖所示：

可以清晰的看到Java對(duì)象由三部分組成，分別是對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)、填充數(shù)據(jù)，我們的鎖就存放在對(duì)象頭中，接下來(lái)我們將對(duì)對(duì)象結(jié)構(gòu)做一個(gè)簡(jiǎn)單的解析：

mark-down：對(duì)象標(biāo)記字段占8個(gè)字節(jié)，用于存儲(chǔ)有關(guān)鎖的標(biāo)記位等信息，從圖中可以看出有哈希值、輕量級(jí)鎖的標(biāo)記位、偏向鎖標(biāo)記位等。
Klass Pointer：Class對(duì)象的類型指針，它就是指向當(dāng)前對(duì)象屬于哪個(gè)Class類的指針，jdk1.8默認(rèn)開(kāi)啟壓縮指針后占用4個(gè)字節(jié)，關(guān)閉壓縮指針后占用8個(gè)字節(jié)。
對(duì)象實(shí)際數(shù)據(jù)：這部分內(nèi)容包括對(duì)象的所有成員變量，大小由各個(gè)成員變量決定，比如byte占用1個(gè)字節(jié)、int占用4個(gè)字節(jié)等。
對(duì)其填充：這部分內(nèi)容僅僅只是做到空間補(bǔ)全，就是一個(gè)占位符的作用，因?yàn)镠otSpot虛擬機(jī)的內(nèi)存管理系統(tǒng)要求對(duì)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(duì)象實(shí)例沒(méi)有對(duì)齊的話，就需要通過(guò)對(duì)其填充來(lái)補(bǔ)充。

在mark-down鎖類型標(biāo)記中，可以看到總共有五種類型，分別是無(wú)鎖、偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖、GC標(biāo)記，所以如果只是使用2比特標(biāo)記是無(wú)法完全被表示出來(lái)的，所以引入了一位偏向鎖標(biāo)記，也就是說(shuō)001為無(wú)鎖、101為偏向鎖。

Monitor 對(duì)象

上面介紹了對(duì)象結(jié)構(gòu)，可以看到在Mark-down中會(huì)存儲(chǔ)不同的鎖信息，當(dāng)鎖的狀態(tài)為重量級(jí)鎖（10）時(shí)，Mark-down中會(huì)存放一個(gè)指向Monitor對(duì)象的指針，這個(gè)Monitor對(duì)象也稱為監(jiān)視器鎖。

synchronized的運(yùn)行機(jī)制，就是JVM檢測(cè)到共享對(duì)象存在不同的競(jìng)爭(zhēng)情況的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)切換到適合的鎖實(shí)現(xiàn)，這種切換就是鎖的升級(jí)、降級(jí)。（很多地方都說(shuō)鎖只能升級(jí)，不能降級(jí)，其實(shí)這種說(shuō)法是錯(cuò)誤的，在《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》書(shū)中說(shuō)到，對(duì)于偏向鎖來(lái)說(shuō)，它可以進(jìn)行降級(jí)到無(wú)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(shí)現(xiàn)，分別是偏向鎖、輕量級(jí)鎖和重量級(jí)鎖。如果一個(gè)Monitor被一個(gè)線程持有的時(shí)候，就說(shuō)明這個(gè)線程拿到了鎖。

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

_owner：指向持有ObjectMonitor對(duì)象的線程
_WaitSet：存放處于wait狀態(tài)的線程隊(duì)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(duì)列
_count：約為_(kāi)WaitSet+_EntryList的節(jié)點(diǎn)數(shù)之和
_cxq：多個(gè)線程爭(zhēng)搶鎖，會(huì)先存入這個(gè)單向鏈表
_recursions：記錄重入次數(shù)
_object：存儲(chǔ)的Monitor對(duì)象

獲取Monitor對(duì)象的線程進(jìn)入_owner區(qū)的時(shí)候，_count+1，如果線程調(diào)用了wait()方法，那么會(huì)釋放Monitor對(duì)象（釋放鎖），_owner恢復(fù)為空同時(shí)_count-1。此時(shí)該線程進(jìn)入_WaitSet隊(duì)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(gè)對(duì)象的對(duì)象頭中，這也就能解釋了為什么synchronized()括號(hào)里存放任何對(duì)象都能獲得鎖的特征。

Synchronized特征

原子性

原子性，就是說(shuō)一個(gè)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(shuō)這個(gè)操作是不可中斷的。

synchronized可以保證同一時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)線程拿到鎖，進(jìn)入到代碼塊去執(zhí)行代碼，這樣說(shuō)如果不能理解，那么就想象下面的一個(gè)場(chǎng)景，有一個(gè)廁所只有一個(gè)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(gè)人上廁所都必須要去廁所管理員處繳費(fèi)，繳費(fèi)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(gè)人拿到鎖，并且每個(gè)人用完廁所之后都必須要?dú)w還鑰匙。

接下來(lái)看到下面一個(gè)同步加方法：

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

將其進(jìn)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(gè)指令明顯和monitor有關(guān)：

monitorenter：在判斷擁有同步標(biāo)識(shí) ACC_SYNCHRONIZED 搶先進(jìn)入此方法的線程會(huì)優(yōu)先擁有 Monitor 的 owner ，此時(shí)計(jì)數(shù)器 +1
monitorexit：當(dāng)執(zhí)行完退出后，計(jì)數(shù)器 -1，歸 0 后被其他進(jìn)入的線程獲得

可見(jiàn)性

可見(jiàn)性指的是當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)變量時(shí)，一個(gè)線程修改了這個(gè)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(jiàn)性和一個(gè)叫JMM的東西息息相關(guān)，后面會(huì)寫一篇關(guān)于可見(jiàn)性結(jié)合volatile關(guān)鍵字的文章）

而Synchronized擁有可見(jiàn)性，因?yàn)樗渔i和釋放鎖都有如下語(yǔ)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(shí)，必須把共享變量的值刷新到主內(nèi)存中。
synchronized的可見(jiàn)性依賴于操作系統(tǒng)內(nèi)核互斥鎖實(shí)現(xiàn)，相當(dāng)于JVM中的lock，unlock，退出代碼塊時(shí)需要刷新共享變量到主內(nèi)存中，這一點(diǎn)和volatile關(guān)鍵字不一樣，volatile關(guān)鍵字的可見(jiàn)性是依賴于內(nèi)存屏障（也叫內(nèi)存柵欄）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

有序性

as-if-serial，就是保證不管編譯器和處理器為了性能優(yōu)化怎樣進(jìn)行指令重排序，都需要保證單線程下的運(yùn)行結(jié)果的正確性。也就是常說(shuō)的：如果在本線程內(nèi)觀察，所有的操作都是有序的，如果在一個(gè)線程觀察另一個(gè)線程，所有的操作都是無(wú)序的。

注意，這里的有序性和volatile是不一樣的，它并不是volatile的防止指令重排序。

可重入鎖

可重入鎖的概念很簡(jiǎn)單，就是一個(gè)線程可以多次獲取自己持有的對(duì)象鎖，這種鎖就是可重入鎖，同樣的釋放鎖也就需要釋放相同數(shù)量的鎖。synchronized鎖對(duì)象中就有一個(gè)計(jì)數(shù)器，用于存放獲取鎖的次數(shù)，也就是重入次數(shù)。