Synchronized详解（上）

2024-03-09 08:58:11

前言

在多线程编程中，会出现多个线程同时访问一个共享、可变资源（共享：资源被多个线程同时访问；可变：资源可被多个线程修改）的情况，这个资源我们称为临界资源，这种资源可能是对象、变量、文件等等；
由于线程执行是不可控的，所以需要采用同步机制来协助对象可变状态访问，即在同一时刻，只能有一个线程访问临界资源，所以被称作同步互斥访问；
在Java中提供了两种方式来实现同步互斥访问：synchronized 和 Lock；
同步器的本质就是加锁，其目的：序列化访问临界资源，即同一时刻只能有一个线程访问临界资源；

- 注意：当多个线程执行同一个方法时，该方法内部的局部变量并不是临界资源，因为这些局部变量是在每个线程的私有栈中，因此不具备共享性，不会导致线程安全问题；

Synchronized基本分析

synchronized内置锁是一种对象锁（锁住的是对象而非引用），作用颗粒度是对象，是一种可重入锁；

加锁方式：

同步实例方法（普通方法），锁的是当前实例对象

同步类方法（静态方法），锁的是当前类对象

同步代码块，锁的是括号内的对象

synchronized是基于JVM内置锁实现的，通过内部对象Monitor（监视器锁）实现，基于进入与退出Monitor对象实现方法与代码块同步，监视器锁的实现依赖底层操作系统的Mutex lock（互斥锁）实现，它是一个重量级锁，性能较低。在java 1.5版本后做了大量优化，比如锁粗化、锁消除、偏向锁、轻量锁、适应性自旋等技术来减少锁操作的开销，synchronized的性能基本与lock一致。
synchronized关键字被编译成字节码后会翻译成monitorenter和monitorexit两条指令分别在同步代码块逻辑的开始和结束位置，如下图：

每个同步对象都有一个自己的monitor(监视器锁)，加锁过程如下：

什么是Monitor

可以把它理解为一个同步工具或机制，通常被描述成一个对象，所有java对象是天生的monitor。因为在java的设计中，每一个java对象一开始就带有一把锁，它就叫monitor，也就是Synchronized的对象锁，MarkWord锁标识位是10，其指针指向的是monitor对象的起始位置；
在java虚拟机中，monitor是由ObjectMonitor实现的，其结构如下（位于hotspot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件， C++ 实现的）

ObjectMonitor有两个队列，_WaitSet和 _EntryList，用来保存ObjectWaiter对象列表（每一个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象），_owner指向持有ObjectMonitor对象的线程，但多个线程同时访问同步代码块时：

- 先进入_EntryList集合，当线程获取到monitor后，进入_Owner区域并把monitor中owner变量设置为当前线程，同时monitor进入数加1；
- 若线程调用wait方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复null，monitor进入数减1，同时进入waitSet集合中等待被唤醒；
- 当前线程执行完，将释放monitor并使monitor进入恢复到0，其他线程可以进入获取monitor；

同时，monitor对象存在于每个java对象的对象头markword中，Synchronized锁便是通过这种方式获取锁的，这也是java任意对象可以作为锁的原因，同时notify/notifyAll/wait等方法会使用monitor对象，所以必须在同步代码块中使用

Monitor基本分析

任何一个对象都有一个monitor关联，当一个monitor被持有了后，它将处于锁定状态。
Synchronized在JVM中实现都是基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，虽然细节有可能不一样，但是都可以通过成对的MonitorEnter和MonitorExit指令来实现。
monitorEnter：当monitor被占用时会处于锁定状态，线程就是执行monitorEnter指令时获取monitor所有权;
monitorExit：执行monitorExit必须是objectref所对应的monitor的所有者;

执行过程如下：

如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，将进入数（_count）设置为1，即为monitor的所有者；

如果线程已经占有monitor，只是重新进入，则monitor的进入数加1；

如果其他线程已经占有monitor，则该线程进入阻塞状态，知道monitor的进入数count为0，再尝试获取monitor的所有权；

执行monitorExit指令时，monitor进入数减1，如果减1后为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者，其他被monitor阻塞的线程可以尝试获取monitor的所有权；

看一个同步块的方法和其反编译的结果

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

monitorExit指令出现了两次，第一次为同步正常退出释放锁，第二次为异常退出释放锁；
再看一个同步方法和其反编译的结果

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

看上图，方法的同步并没有使用monitorEnter和monitorExit来完成，不过相对于普通方法，其常量池多了ACC_SYNCHRONIZED标识符，JVM就是通过这个标识符实现方法同步的；
当方法调用，指令会检查ACC_SYNCHRONIZED访问标志是否被设置，如果被设置了就先获取monitor，获取成功才能执行方法，然后在释放monitor。
两种同步方式没有本质的区别，只是同步方法使用了一种隐式的方式来实现，两个指令的执行是JVM通过调用操作系统的互斥源语mutex实现的，被阻塞的线程会被挂起、重新等待调度，会导致“用户态和内核态”之间来回切换，对性能影响较大。

最后

虚心学习，共同进步 -_-