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，針對這個問題，這篇文章詳細介紹了相對應的分析和解答，希望可以幫助更多想解決這個問題的小伙伴找到更簡單易行的方法。

一、線程安全問題

1、臨界資源

多線程編程中，有可能會出現多個線程同時訪問同一個共享、可變資源的情況，這個資源我們稱之其為臨界資源；這種資源可能是：對象、變量、文件等。

1. 共享：資源可以由多個線程同時訪問

2. 可變：資源可以在其生命周期內被修改

2、線程安全問題

當多個線程同時訪問一個對象時，如果不用考慮這些線程在運行時環境下的調度和交替執行，也不需要進行額外的同步，或者在調用方進行任何其他的協調操作，調用這個對象的行為都可以獲得正確的結果，那就稱這個對象是線程安全的，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正確性保障手段。同步是指在多個線程并發訪問共享數據時，保證共享數據在同一個時刻只被一條（或者是一些，當使用信號量的時候）線程使用。而互斥是實現同步的一種手段，臨界區（Critical Section）、互斥量（Mutex）和信號量（Semaphore）都是常見的互斥實現方式。

在Java里面，最基本的互斥同步手段就是synchronized關鍵字，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，后面也會進行介紹。

二、synchronized使用介紹

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

1. 加在靜態方法上（public synchronized static void test()），鎖的是當前類的Class對象

2. 加在實例方法上（public synchronized void test()），鎖的是當前對象

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

從上面可以看出synchronized鎖的其實都是對象。

三、synchronized實現原理

1、synchronized底層指令：monitorenter和monitorexit

synchronized是基于JVM內置鎖實現，通過內部對象Object Monitor(監視器鎖)實現，基于進入與退出Monitor對象實現方法與代碼塊同步，監視器鎖的實現依賴底層操作系統的Mutex lock（互斥鎖）實現，它是一個重量級鎖性能較低。當然，JVM內置鎖在1.5之后版本做了重大的優化，如鎖粗化（Lock Coarsening）、鎖消除（Lock Elimination）、輕量級鎖（Lightweight Locking）、偏向鎖（Biased Locking）、適應性自旋（Adaptive Spinning）等技術來減少鎖操作的開銷，內置鎖的并發性能已經基本與Lock持平。

注意：只有synchronized鎖升級為重量級鎖時才會用到Object Monitor(監視器鎖)。

synchronized關鍵字被編譯成字節碼后會被翻譯成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卻出現了兩次，原因如下：

• 第一個monitorexit指令是同步代碼塊正常釋放鎖的一個標志；

• 如果同步代碼塊中出現Exception或者Error，則會調用第二個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 鑾峰彇浜嗛攣
      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(監視器鎖)機制

上面提到了，只有synchronized鎖升級為重量級鎖時才會用到Object Monitor(監視器鎖)。我們看一下Object Monitor的實現機制是什么？查看OpenJDK源碼可以看到Object Monitor由C++語言實現，打開JDK源碼目錄 “jdk\hotspot\src\share\vm\runtime“可以看到objectMonitor.hpp，這個就是監視器鎖的實現，截取一段代碼如下：

ObjectMonitor() {
	_header       = NULL; //對象頭
	_count        = 0;	//記錄加鎖次數，鎖重入時用到
	_waiters      = 0, //當前有多少處于wait狀態的thread
	_recursions   = 0; //記錄鎖的重入次數
	_object       = NULL;
	_owner        = 0; //指向持有ObjectMonitor對象的線程
	_WaitSet      = NULL; //處于wait狀態的線程，會被加入到_WaitSet
	_WaitSetLock  = 0 ;
	_Responsible  = NULL ;
	_succ         = NULL ;
	_cxq          = NULL ;
	FreeNext      = NULL ;
	_EntryList    = NULL ;//處于等待加鎖block狀態的線程，會被加入到該列表
	_SpinFreq     = 0 ;
	_SpinClock    = 0 ;
	OwnerIsThread = 0 ;
	_previous_owner_tid = 0;
}

其中幾個比較重要的字段：

• _header 對象頭，前面說過synchronized鎖升級為重量級鎖之后才會用到objectMonitor，這時候對象頭的Mark word會有一個指向重量級鎖Monitor的指針

•  _count 線程獲取鎖的次數，每加鎖一次該值加1。

• _waiters 當前有多少處于wait狀態的thread

• _recursions 鎖的重入次數 

• _owner 指向持有ObjectMonitor對象的線程地址。 

• _WaitSet 存放調用wait方法，而進入等待狀態的線程的隊列。

• _EntryList 處于等待加鎖block狀態的線程，會被加入到該列表

ObjectMonitor的加鎖解鎖過程如下圖所示，ObjectMonitor中有兩個隊列，_WaitSet 和 _EntryList，用來保存ObjectWaiter對象列表(每個等待鎖的線程都會被封裝成ObjectWaiter對象)；整個monitor運行的機制過程如下：

• _owner指向持有ObjectMonitor對象的線程，當多個線程同時訪問一段同步代碼時，首先會進入 _EntryList 集合

• 當線程獲取到對象的monitor 后進入 _Owner 區域并把monitor中的owner變量設置為當前線程的同時，monitor中的計數器count加1，

• 若已經獲取鎖的線程調用 wait() 方法，將釋放當前持有的monitor，owner變量恢復為null，count自減1，同時該線程進入 WaitSet集合中等待被喚醒。

• 若當前線程執行完畢也將釋放monitor(鎖)并復位變量的值，以便其他線程進入獲取monitor(鎖)。

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