如何理解Java Synchronized的使用及底層原理

如何理解Java Synchronized的使用及底層原理，針對(duì)這個(gè)問題，這篇文章詳細(xì)介紹了相對(duì)應(yīng)的分析和解答，希望可以幫助更多想解決這個(gè)問題的小伙伴找到更簡(jiǎn)單易行的方法。

一、線程安全問題

1、臨界資源

多線程編程中，有可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)線程同時(shí)訪問同一個(gè)共享、可變資源的情況，這個(gè)資源我們稱之其為臨界資源；這種資源可能是：對(duì)象、變量、文件等。

1. 共享：資源可以由多個(gè)線程同時(shí)訪問

2. 可變：資源可以在其生命周期內(nèi)被修改

2、線程安全問題

當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問一個(gè)對(duì)象時(shí)，如果不用考慮這些線程在運(yùn)行時(shí)環(huán)境下的調(diào)度和交替執(zhí)行，也不需要進(jìn)行額外的同步，或者在調(diào)用方進(jìn)行任何其他的協(xié)調(diào)操作，調(diào)用這個(gè)對(duì)象的行為都可以獲得正確的結(jié)果，那就稱這個(gè)對(duì)象是線程安全的，否則就是非線程安全的。

3、如何解決線程安全問題

互斥同步（Mutual Exclusion & Synchronization）是一種最常見也是最主要的并發(fā)正確性保障手段。同步是指在多個(gè)線程并發(fā)訪問共享數(shù)據(jù)時(shí)，保證共享數(shù)據(jù)在同一個(gè)時(shí)刻只被一條（或者是一些，當(dāng)使用信號(hào)量的時(shí)候）線程使用。而互斥是實(shí)現(xiàn)同步的一種手段，臨界區(qū)（Critical Section）、互斥量（Mutex）和信號(hào)量（Semaphore）都是常見的互斥實(shí)現(xiàn)方式。

在Java里面，最基本的互斥同步手段就是synchronized關(guān)鍵字，另外還有從JDK1.5開始引入了JUC里面的Lock接口，其中用的比較多的就是ReentrantLock，后面也會(huì)進(jìn)行介紹。

二、synchronized使用介紹

synchronized是JVM內(nèi)置的，是可重入的，其使用方法有三種：加在static修飾的靜態(tài)方法上，加在普通方法上，同步代碼塊三種方式。

1. 加在靜態(tài)方法上（public synchronized static void test()），鎖的是當(dāng)前類的Class對(duì)象

2. 加在實(shí)例方法上（public synchronized void test()），鎖的是當(dāng)前對(duì)象

3. synchronized同步代碼塊（synchronized(object) {......}），鎖的是synchronized后面括號(hào)里面的對(duì)象

從上面可以看出synchronized鎖的其實(shí)都是對(duì)象。

三、synchronized實(shí)現(xiàn)原理

1、synchronized底層指令：monitorenter和monitorexit

synchronized是基于JVM內(nèi)置鎖實(shí)現(xiàn)，通過內(nèi)部對(duì)象Object Monitor(監(jiān)視器鎖)實(shí)現(xiàn)，基于進(jìn)入與退出Monitor對(duì)象實(shí)現(xiàn)方法與代碼塊同步，監(jiān)視器鎖的實(shí)現(xiàn)依賴底層操作系統(tǒng)的Mutex lock（互斥鎖）實(shí)現(xiàn)，它是一個(gè)重量級(jí)鎖性能較低。當(dāng)然，JVM內(nèi)置鎖在1.5之后版本做了重大的優(yōu)化，如鎖粗化（Lock Coarsening）、鎖消除（Lock Elimination）、輕量級(jí)鎖（Lightweight Locking）、偏向鎖（Biased Locking）、適應(yīng)性自旋（Adaptive Spinning）等技術(shù)來減少鎖操作的開銷，內(nèi)置鎖的并發(fā)性能已經(jīng)基本與Lock持平。

注意：只有synchronized鎖升級(jí)為重量級(jí)鎖時(shí)才會(huì)用到Object Monitor(監(jiān)視器鎖)。

synchronized關(guān)鍵字被編譯成字節(jié)碼后會(huì)被翻譯成monitorenter 和monitorexit 兩條指令分別在同步塊邏輯代碼的起始位置與結(jié)束位置。

public class TestSynchronized {
    private Object obj = new Object();
    public void testLock() {
        synchronized (obj) {
            System.out.println("獲取了鎖");
        }
    }
}

我們通過javap -c TestSynchronized.class將上面代碼的class文件進(jìn)行反匯編，可以看到如下所示：我們看到了monitorenter 和monitorexit 兩條指令，但是monitorexit卻出現(xiàn)了兩次，原因如下：

• 第一個(gè)monitorexit指令是同步代碼塊正常釋放鎖的一個(gè)標(biāo)志；

• 如果同步代碼塊中出現(xiàn)Exception或者Error，則會(huì)調(diào)用第二個(gè)monitorexit指令來保證釋放鎖

public void testLock();
    Code:
       0: aload_0
       1: getfield      #3                  // Field obj:Ljava/lang/Object;
       4: dup
       5: astore_1
       6: monitorenter
       7: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      10: ldc           #5                  // String 鑾峰彇浜?jiǎn)閿?
      12: invokevirtual #6                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      15: aload_1
      16: monitorexit
      17: goto          25
      20: astore_2
      21: aload_1
      22: monitorexit
      23: aload_2
      24: athrow
      25: return
    Exception table:
       from    to  target type
           7    17    20   any
          20    23    20   any

2、Object Monitor(監(jiān)視器鎖)機(jī)制

上面提到了，只有synchronized鎖升級(jí)為重量級(jí)鎖時(shí)才會(huì)用到Object Monitor(監(jiān)視器鎖)。我們看一下Object Monitor的實(shí)現(xiàn)機(jī)制是什么？查看OpenJDK源碼可以看到Object Monitor由C++語言實(shí)現(xiàn)，打開JDK源碼目錄 “jdk\hotspot\src\share\vm\runtime“可以看到objectMonitor.hpp，這個(gè)就是監(jiān)視器鎖的實(shí)現(xiàn)，截取一段代碼如下：

ObjectMonitor() {
	_header       = NULL; //對(duì)象頭
	_count        = 0;	//記錄加鎖次數(shù)，鎖重入時(shí)用到
	_waiters      = 0, //當(dāng)前有多少處于wait狀態(tài)的thread
	_recursions   = 0; //記錄鎖的重入次數(shù)
	_object       = NULL;
	_owner        = 0; //指向持有ObjectMonitor對(duì)象的線程
	_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 ;
	FreeNext      = NULL ;
	_EntryList    = NULL ;//處于等待加鎖block狀態(tài)的線程，會(huì)被加入到該列表
	_SpinFreq     = 0 ;
	_SpinClock    = 0 ;
	OwnerIsThread = 0 ;
	_previous_owner_tid = 0;
}

其中幾個(gè)比較重要的字段：

• _header 對(duì)象頭，前面說過synchronized鎖升級(jí)為重量級(jí)鎖之后才會(huì)用到objectMonitor，這時(shí)候?qū)ο箢^的Mark word會(huì)有一個(gè)指向重量級(jí)鎖Monitor的指針

•  _count 線程獲取鎖的次數(shù)，每加鎖一次該值加1。

• _waiters 當(dāng)前有多少處于wait狀態(tài)的thread

• _recursions 鎖的重入次數(shù) 

• _owner 指向持有ObjectMonitor對(duì)象的線程地址。 

• _WaitSet 存放調(diào)用wait方法，而進(jìn)入等待狀態(tài)的線程的隊(duì)列。

• _EntryList 處于等待加鎖block狀態(tài)的線程，會(huì)被加入到該列表

ObjectMonitor的加鎖解鎖過程如下圖所示，ObjectMonitor中有兩個(gè)隊(duì)列，_WaitSet 和 _EntryList，用來保存ObjectWaiter對(duì)象列表(每個(gè)等待鎖的線程都會(huì)被封裝成ObjectWaiter對(duì)象)；整個(gè)monitor運(yùn)行的機(jī)制過程如下：

• _owner指向持有ObjectMonitor對(duì)象的線程，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問一段同步代碼時(shí)，首先會(huì)進(jìn)入 _EntryList 集合

• 當(dāng)線程獲取到對(duì)象的monitor 后進(jìn)入 _Owner 區(qū)域并把monitor中的owner變量設(shè)置為當(dāng)前線程的同時(shí)，monitor中的計(jì)數(shù)器count加1，

• 若已經(jīng)獲取鎖的線程調(diào)用 wait() 方法，將釋放當(dāng)前持有的monitor，owner變量恢復(fù)為null，count自減1，同時(shí)該線程進(jìn)入 WaitSet集合中等待被喚醒。

• 若當(dāng)前線程執(zhí)行完畢也將釋放monitor(鎖)并復(fù)位變量的值，以便其他線程進(jìn)入獲取monitor(鎖)。

關(guān)于如何理解Java Synchronized的使用及底層原理問題的解答就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對(duì)大家有一定的幫助，如果你還有很多疑惑沒有解開，可以關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道了解更多相關(guān)知識(shí)。