带你深入剖析 synchronized 的底层原理

Posted 2022-05-09 南淮北安

文章目录

• • 一、synchronized 的基本用法
  • 二、synchronized 的底层实现原理
  • • 1. 同步块的底层原理分析
    • 2. 同步方法的底层原理分析
  • 四、总结

一、synchronized 的基本用法

可参考：一篇文章带你搞定 Java 中同步概念
可参考：一篇文章带你深入了解多线程中的线程组，守护线程，线程优先级，synchronize

synchronized 与 volatile 的最大区别在于原子性，volatile 不具备原子性

可参考：一篇文章带你深入了解 volatile 与 Java 内存模型（JMM）- 原子性、可见性、有序性

二、synchronized 的底层实现原理

1. 同步块的底层原理分析

public class SynchronizedDemo 
    public void method() 
        synchronized (this) 
            System.out.println("Method 1 start");
        
    

反编译：

生成class 文件：javac SynchronizedDemo.java
反编译：javap -verbose SynchronizedDemo

每个对象都有一个监视器锁（monitor），synchronized 关键字经过编译之后，会在同步块的前后分别形成 monitorenter 和 monitorexit 两个字节码文件，执行 monitorenter 指令时，首先要尝试获取对象的锁，如果对象没被锁定，或者当前线程已经拥有了那个对象的锁，则把锁的计数器加1，相应的在执行 monitorexit 指令时，会将锁的计数器减1，当计数器为 0 时，锁就被释放。如果获取对象锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另外一个线程释放为止。

但是为什么会有两个monitorexit呢？
其实第二个monitorexit是来处理异常的，仔细看反编译的字节码，正常情况下第一个 monitorexit 之后会执行 goto 指令，而该指令转向的就是22行的return，也就是说正常情况下只会执行第一个 monitorexit 释放锁，然后返回。而如果在执行中发生了异常，第二个 monitorexit 就起作用了，它是由编译器自动生成的，在发生异常时处理异常然后释放掉锁。

所以，Synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来完成，其实wait/notify等方法也依赖于 monitor 对象，这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用 wait/notify 等方法，否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。

关于 wait/notify 可参考：一篇文章带你深入了解 Java 中线程的基本操作

2. 同步方法的底层原理分析

public class SynchronizedMethod 
    public synchronized void method()
        System.out.println("SynchronizedMethod");
    

反编译分析：

javac SynchronizedMethod.java
javap -verbose SynchronizedMethod

从反编译的结果来看，方法的同步并没有通过指令 monitorenter 和 monitorexit 来完成（理论上其实也可以通过这两条指令来实现），不过相对于普通方法，其常量池中多了ACC_SYNCHRONIZED标示符。JVM就是根据该标示符来实现方法的同步的：当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先获取 monitor，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放 monitor。在方法执行期间，其他任何线程都无法再获得同一个 monitor 对象。 其实本质上没有区别，只是方法的同步是一种隐式的方式来实现，无需通过字节码来完成。

四、总结

锁也分不同状态，JDK6之前只有两个状态：无锁、有锁（重量级锁），而在JDK6之后对synchronized进行了优化，新增了两种状态，总共就是四个状态：无锁状态、偏向锁、轻量级锁、重量级锁，其中无锁就是一种状态了。

锁的类型和状态在对象头Mark Word中都有记录，在申请锁、锁升级等过程中JVM都需要读取对象的Mark Word数据。

每一个锁都对应一个monitor对象，在HotSpot虚拟机中它是由ObjectMonitor实现的（C++实现）。每个对象都存在着一个monitor与之关联，对象与其monitor之间的关系有存在多种实现方式，如monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个monitor被某个线程持有后，它便处于锁定状态

对象头相关内容可参考：一篇带你探索 HotSpot虚拟机在Java堆中对象分配、布局和访问的全过程
synchronized 锁优化相关可参考：一篇文章带你搞定 JVM 中的锁优化