Java同步锁Synchronized底层源码和原理剖析

Posted 2022-05-26 赵广陆

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Java同步锁Synchronized底层源码和原理剖析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

1 synchronized场景回顾

目标：
synchronized回顾（锁分类–>多线程）
概念
synchronized：是Java中的关键字，是一种同步锁。
Java中锁分为以下几种：
乐观锁、悲观锁(syn)
独享锁(syn)、共享锁
公平锁、非公平锁(syn)
互斥锁(syn)、读写锁
可重入锁(syn)
分段锁
synchronized JDK1.6锁升级(无锁 -> 偏向锁 (非锁)-> 轻量级锁 -> 重量级锁（1.6前都是）【面试常问】
tips：
为什么用到锁？大家肯定会想到多线程（并发）
接下来，我们一起简单回顾下多线程特性
多线程特性回顾（面试常问）
原子性：指一个操作或者多个操作，要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执
行
可见性：是指多个线程访问一个资源时，该资源的状态、值信息等对于其他线程都是可见的。
有序性：指程序中代码的执行顺序（编译器会重排）

原子性实现回顾
保证了原子性？

com.syn.com.syn.th.SyncAtomicity

package com.syn.com.syn.th;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/*
  目标:测试原子性问题
  1、调用正常（不加锁）方法；两个线程都可以正常执行
  2、调用加锁方法，只能有一个线程正常执行，其他线程排队等候
*/
public class SyncAtomicity 
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
    SyncAtomicity syncAtomicity = new SyncAtomicity();
    //synchronized修饰实例方法
    //new Thread(()->syncAtomicity.testSYNC()).start();
    //new Thread(()->syncAtomicity.testSYNC()).start();
    //synchronized修饰静态方法
    new Thread(() -> SyncAtomicity.testSYNCForStatic()).start();
    new Thread(() -> SyncAtomicity.testSYNCForStatic()).start();
    //正常方法
    //new Thread(() -> syncAtomicity.test()).start();
    //new Thread(() -> syncAtomicity.test()).start();
 
  //加锁方法
  public synchronized void testSYNC() 
    System.out.println("进入testSYNC方法>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>");
    try 
      //模拟方法体尚未执行完毕
      TimeUnit.HOURS.sleep(1);
    catch (InterruptedException e) 
      e.printStackTrace();
   
 
  //加锁方法
  public synchronized static void testSYNCForStatic() 
    System.out.println("进入testSYNC方法>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>");
    try 
      //模拟方法体尚未执行完毕
      TimeUnit.HOURS.sleep(1);
    catch (InterruptedException e) 
      e.printStackTrace();
   
 
  //正常方法
  public void test() 
    System.out.println("进入test方法>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>");
    try 
      //模拟方法体尚未执行完毕
      TimeUnit.HOURS.sleep(1);
    catch (InterruptedException e) 
      e.printStackTrace();

总结
我们发现在同一时刻确实只有一个线程进入，保证了原子性
这是什么原理呢？

2 反汇编寻找锁实现原理

目标通过javap反汇编看一下synchronized到底是怎么加锁的

com.syn.BTest

public class BTest 
  private static Object object = new Object();
  public synchronized void testMethod() 
    System.out.println("Hello World -synchronized method ");
 
  public static void main(String[] args) 
    synchronized (object) 
      System.out.println("Hello World -synchronized block ");

反汇编后，我们将看到什么？

JDK自带的一个工具： javap ，对字节码进行反汇编：

//com.syn.BTest
javap -v -c BTest.class

反汇编后

解释
被synchronized修饰的代码块，多了两个指令
monitorenter、monitorexit
即JVM使用monitorenter和monitorexit两个指令实现同步

解释
被synchronized修饰的方法；增加了ACC_SYNCHRONIZED 修饰。会隐式调用monitorenter和
monitorexit。
monitorenter原理（重要）
monitorenter首先我们来看一下JVM规范中对于monitorenter的描述
https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-6.html#jvms-6.5.monitorenter

翻译如下：
每一个对象都会和一个监视器monitor关联。
监视器被占用时会被锁住，其他线程无法来获取该monitor。
当JVM执行某个线程的某个方法内部的monitorenter时，它会尝试去获取当前对象对应的monitor的所有权。其过程如下：

若monior的进入数为0，线程可以进入monitor，并将monitor的进入数置为1。当前线程成为
monitor的owner（所有者）
若线程已拥有monitor的所有权，允许它重入monitor，则进入monitor的进入数加1
若其他线程已经占有monitor的所有权，那么当前尝试获取monitor的所有权的线程会被阻塞，直
到monitor的进入数变为0，才能重新尝试获取monitor的所有权。
monitorexit(重要)
能执行monitorexit指令的线程一定是拥有当前对象的monitor的所有权的线程。
执行monitorexit时会将monitor的进入数减1。当monitor的进入数减为0时，当前线程退出
monitor，不再拥有monitor的所有权，此时其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个
monitor的所有权
monitorexit释放锁。
monitorexit插入在方法结束处和异常处，JVM保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit。
tips（重要）
关于monitorenter和monitorexit描述
上面文字太多，杜绝去念！！！！！！
用图说话！！！！！！！！！！！！

类：com.syn.BTest

public static void main(String[] args) 
    synchronized (object) 
      System.out.println("Hello World -synchronized block ");

总结：
通过上面的流程我们发现
1、synchronized是靠Monitor关联拿到锁的
2、如果竞争的时候拿不到锁，线程就去竞争队列
3、如果拿到锁了，第二次拿，它又拿到锁,其他线程进入阻塞队列
4、如果拿到锁的线程调用了wait方法，其他线程进入等待队列
5、释放锁，需要将计数器减减操作
6、出现异常，也释放锁。

3 synchronized虚拟机源码

synchronized是Java中的关键字，无法通过JDK源码查看它的实现，它是由JVM提供支持的，所以如果想要了解具体的实现需要查看JVM源码

目标：JVM虚拟机源码下载

http://hg.openjdk.java.net/jdk8/jdk8/hotspot/
或者
http://hg.openjdk.java.net/jdk8/jdk8/hotspot/archive/tip.zip

解压查看即可，无需环境搭建

3.1 HotSpot源码Monitor生成

目标：通过JVM虚拟机源码分析synchronized监视器Monitor是怎么生成的
tips：
c++源码只看重点、弄懂原理
c++重要吗？不重要
但是面试时很重要，面试过去了就不重要！！！！！！！！！！！！
学别人不会的东西你才有价值！！！！你会、大家都会，没啥意思！！
在HotSpot虚拟机中，monitor监视器是由ObjectMonitor实现的。
构造器代码src/share/vm/runtime/objectMonitor.hpp
hpp可以include包含cpp的东西，两者都是c++的代码

//构造器
ObjectMonitor() 
_header = NULL;
_count = 0;
_waiters = 0，
_recursions = 0; // 递归：线程的重入次数，典型的System.out.println
_object = NULL; // 对应synchronized (object)对应里面的object
_owner = NULL; // 标识拥有该monitor的线程
_WaitSet = NULL; // 因为调用object.wait()方法而被阻塞的线程会被放在该队列中
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL;
_succ = NULL;
_cxq = NULL; // 竞争队列，所有请求锁的线程首先会被放在这个队列中
FreeNext = NULL;
_EntryList = NULL; // 阻塞；第二轮竞争锁仍然没有抢到的线程(偏向/可重入)
_SpinFreq = 0;
_SpinClock = 0;
OwnerIsThread = 0;

结论：正好印证了上面的流程图

3.2 HotSpot源码之Monitor竞争

目标：通过JVM虚拟机源码分析synchronized多个线程抢夺锁，拿到锁之后要干什么？

monitorenter指令执行：
JVM源码：src/share/vm/interpreter/interpreterRuntime.cpp
JVM函数： InterpreterRuntime::monitorenter函数

//锁竞争InterpreterRuntime::monitorenter
IRT_ENTRY_NO_ASYNC(void, InterpreterRuntime::monitorenter(JavaThread* thread,
BasicObjectLock* elem))
#ifdef ASSERT
 thread->last_frame().interpreter_frame_verify_monitor(elem);
#endif
 if (PrintBiasedLockingStatistics) 
  Atomic::inc(BiasedLocking::slow_path_entry_count_addr());

 Handle h_obj(thread, elem->obj());
 assert(Universe::heap()->is_in_reserved_or_null(h_obj()),
    "must be NULL or an object");
 //偏向锁（非锁：jdk14废弃）
 if (UseBiasedLocking) 
  // Retry fast entry if bias is revoked to avoid unnecessary inflation
  ObjectSynchronizer::fast_enter(h_obj, elem->lock(), true, CHECK);
 else 
 // 重量级锁，最终调用了objectMonitor.cpp中的ObjectMonitor::enter
  ObjectSynchronizer::slow_enter(h_obj, elem->lock(), CHECK);
  
  
 ...略

最终调用objectMonitor.cpp文件中的 ObjectMonitor::enter

src/share/vm/runtime/objectMonitor.cpp

//重量级锁入口
void ATTR ObjectMonitor::enter(TRAPS) 
 Thread * const Self = THREAD ;
 void * cur ;
// 1、通过CAS（原子操作）操作尝试把monitor的_owner字段设置为当前线程(开始竞争)
 cur = Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_owner, NULL) ;
 if (cur == NULL) 
  // Either ASSERT _recursions == 0 or explicitly set _recursions = 0.
  assert (_recursions == 0  , "invariant") ;
  assert (_owner    == Self, "invariant") ;
  // CONSIDER: set or assert OwnerIsThread == 1
  return ;

// 2、拿到锁；计数+1，recursions++
 if (cur == Self) 
  _recursions ++ ;//第一次进入(计数+1)
  return ;

 if (Self->is_lock_owned ((address)cur)) 
  assert (_recursions == 0, "internal state error");
  _recursions = 1 ;
  _owner = Self ;
  OwnerIsThread = 1 ;
  return ;

 assert (Self->_Stalled == 0, "invariant") ;
 Self->_Stalled = intptr_t(this) ;
 if (Knob_SpinEarly && TrySpin (Self) > 0) 
  assert (_owner == Self   , "invariant") ;
  assert (_recursions == 0  , "invariant") ;
  assert (((oop)(object()))->mark() == markOopDesc::encode(this),
"invariant") ;
  Self->_Stalled = 0 ;
  return ;

 assert (_owner != Self     , "invariant") ;
 assert (_succ  != Self     , "invariant") ;
 assert (Self->is_Java_thread() , "invariant") ;
 JavaThread * jt = (JavaThread *) Self ;
 assert (!SafepointSynchronize::is_at_safepoint(), "invariant") ;
 assert (jt->thread_state() != _thread_blocked  , "invariant") ;
 assert (this->object() != NULL , "invariant") ;
 assert (_count >= 0, "invariant") ;
 Atomic::inc_ptr(&_count);
 EventJavaMonitorEnter event;

  JavaThreadBlockedOnMonitorEnterState jtbmes(jt, this);
  DTRACE_MONITOR_PROBE(contended__enter, this, object(), jt);
  if (JvmtiExport::should_post_monitor_contended_enter()) 
   JvmtiExport::post_monitor_contended_enter(jt, this);
 
  OSThreadContendState osts(Self->osthread());
  ThreadBlockInVM tbivm(jt);
  Self->set_current_pending_monitor(this);
  for (;;) 
   jt->set_suspend_equivalent();
   // cleared by handle_special_suspend_equivalent_condition()
   // or java_suspend_self()
// 3、获取锁失败的线程，则等待！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！
   EnterI (THREAD) ;
   if (!ExitSuspendEquivalent(jt)) break ;
     _recursions = 0 ;
   _succ = NULL ;
   exit (false, Self) ;
   jt->java_suspend_self();
 
  Self->set_current_pending_monitor(NULL);

总结

通过CAS尝试把monitor的owner字段设置为当前线程。
如果设置之前的owner指向当前线程，说明当前线程再次进入monitor，即重入锁，执行
recursions ++ ，记录重入的次数。
获取锁失败的线程，则【等待】锁的释放。
一句话总结：自旋拿锁、拿到+1 、拿不到等待（竞争队列）

3.3 HotSpot源码之Monitor等待

目标：通过JVM虚拟机源码分析synchronized拿不到锁的线程他们都去干什么了？

还是 /objectMonitor.cpp
还是EnterI函数
路径：src/share/vm/runtime/objectMonitor.cpp的

//拿不到锁的线程他们都去干什么了？？
void ATTR ObjectMonitor::EnterI (TRAPS) 
  Thread * Self = THREAD ;
  assert (Self->is_Java_thread(), "invariant") ;
  assert (((JavaThread *) Self)->thread_state() == _thread_blocked  ,
"invariant") ;
 // 没拿到锁，还是要尝试TryLock一次
  if (TryLock (Self) > 0) 
   //拿到锁执行，在返回
    assert (_succ != Self       , "invariant") ;
    assert (_owner == Self       , "invariant") ;
    assert (_Responsible != Self    , "invariant") ;
    return ;//成功获取
 
  DeferredInitialize () ;
 //没拿到锁，开始TrySpin自旋（CAS,while循环）
  if (TrySpin (Self) > 0) 
    assert (_owner == Self    , "invariant") ;
    assert (_succ != Self     , "invariant") ;
    assert (_Responsible != Self , "invariant") ;
    return ;
 
  assert (_succ  != Self      , "invariant") ;
  assert (_owner != Self      , "invariant") ;
  assert (_Responsible != Self   , "invariant") ;
// 实在拿不到锁；当前线程被封装成ObjectWaiter对象node，状态设置成ObjectWaiter::TS_CXQ
//即将放入竞争队列
  ObjectWaiter node(Self) ;
  Self->_ParkEvent->reset() ;
  node._prev  = (ObjectWaiter *) 0xBAD ;
  node.TState  = ObjectWaiter::TS_CXQ ;
  ObjectWaiter * nxt ;
  for (;;) 
   node._next = nxt = _cxq ;
    //使用内核函数cmpxchg_ptr 将没有拿到锁线程（node）放到竞争队列
    if (Atomic::cmpxchg_ptr (&node, &_cxq, nxt) == nxt) break ;
    if (TryLock (Self) > 0) 
      assert (_succ != Self     , "invariant") ;
      assert (_owner == Self    , "invariant") ;
      assert (_Responsible != Self , "invariant") ;
      return ;
   
 
  if ((SyncFlags & 16) == 0 && nxt == NULL && _EntryList == NULL) 
    Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_Responsible, NULL) ;
 
  TEVENT (Inflated enter - Contention) ;
  int nWakeups = 0 ;
  int RecheckInterval = 1 ;
//将竞争队列线程挂起
  for (;;) 
// 线程在被挂起前做一下挣扎，看能不能获取到锁
    if (TryLock (Self) > 0) break ;
    assert (_owner != Self, "invariant") ;
    if ((SyncFlags & 2) && _Responsible == NULL) 
     Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_Responsible, NULL) ;
   
    // park self
    if (_Responsible == Self || (SyncFlags & 1)) 
      TEVENT (Inflated enter - park TIMED) ;
      Self->_ParkEvent->park ((jlong) RecheckInterval) ;
      // Increase the RecheckInterval, but clamp the value.
      RecheckInterval *= 8 ;
      if (RecheckInterval > 1000) RecheckInterval = 1000 ;
    else 
      TEVENT (Inflated enter - park UNTIMED) ;
     // 挂起!!!!!!：：通过park将当前线程挂起（不被执行了），等待被唤
醒！！！！！！！！！！！
      Self->_ParkEvent->park() ;
   
  //当该线程被唤醒时，执行TryLock----->ObjectMonitor::TryLoc 
！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！
    if (TryLock(Self) > 0) break ;

当该线程被唤醒时，会从挂起的点继续执行，通过 ObjectMonitor::TryLock 尝试获取锁
总结
4. 竞争失败的线程被封装成ObjectWaiter对象node，状态设置成ObjectWaiter::TS_CXQ（竞争队
列）
5. 在for循环中，通过CAS把node节点push到_cxq列表中，（竞争队列）
6. node节点push到_cxq列表之后，通过自旋尝试获取锁，如果还是没有获取到锁，则通过park将当
前线程挂起，等待被唤醒。
7. 当该线程被唤醒时，会从挂起的点继续执行，通过 ObjectMonitor::TryLock 尝试获取锁。

一句话总结：没拿到，尝试拿一次、在自旋去拿、实在拿不到就去竞争队列、等待唤醒

3.4 HotSpot源码之Monitor释放

目标：通过JVM虚拟机源码分析synchronized拿到锁的线程最后是怎么释放锁的？

执行monitorexit指令
还是 /objectMonitor.cpp
里面的exit函数
Osrc/share/vm/runtime/objectMonitor.cpp

//线程释放调用exit方法
void ATTR ObjectMonitor::exit(bool not_suspended, TRAPS) 
 Thread * Self = THREAD ;
 if (THREAD != _owner) 
  if (THREAD->is_lock_ownedJava多线程系列：深入详解Synchronized同步锁的底层实现
 Java多线程系列：深入详解Synchronized同步锁的底层实现
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