分析JVM線程同步原理

線程和共享數據

Java 的一個優勢就是在語言層面支持多線程，這種支持集中在協調多線程對數據的訪問上。

JVM 將運行時數據劃分爲幾個區域：一個或多個棧，一個堆，一個方法區。

在 JVM 中，每一個線程擁有一個棧，其餘線程沒法訪問，裏面的數據包括：局部變量，函數參數，線程調用的方法的返回值。棧裏面的數據只包含原生數據類型和對象引用。在 JVM 中，不可能將實際對象的拷貝放入棧。全部對象都在堆裏面。

JVM 只有一個堆，全部線程都共享它。堆中只包含對象，把單獨的原生類型或者對象引用放入堆也是不可能的，除非它們是對象的一部分。數組也在堆中，包括原生類型的數組，由於在 Java 中，數組也是對象。

除了棧和堆，另外一個存放數據的區域就是方法區了，它包含程序中使用到的全部類（靜態）變量。方法區相似於棧，也只包含原生類型和對象引用，可是又跟棧不一樣，方法區中類變量是線程共享的。

對象鎖和類鎖

正如前面所說，JVM 中的兩個區域包含線程共享的數據，分別是：

1. 堆：包含全部對象
2. 方法區：包含全部類變量

若是多個線程須要同時使用同一個對象或者類變量，它們對數據的訪問必須被恰當地控制。不然，程序會產生不可預測的行爲。

爲了協調多個線程對共享數據的訪問，JVM 給每一個對象和類關聯了一個鎖。鎖就像是任意時間點只有一個線程可以擁有的特權。若是一個線程想要鎖住一個特定的對象或者類，它須要向 JVM 請求鎖。線程向 JVM 請求鎖以後，可能很快就拿到，或者過一會就拿到，也可能永遠拿不到。當線程不須要鎖以後，它把鎖還給 JVM。若是其餘線程須要這個鎖，JVM 會交給該線程。

類鎖的實現其實跟對象鎖是同樣的。當 JVM 加載類文件的時候，它會建立一個對應類java.lang.Class對象。當你鎖住一個類的時候，你其實是鎖住了這個類的Class對象。

線程訪問對象實例或者類變量的時候不須要獲取鎖。可是若是一個線程獲取了一個鎖，其餘線程不能訪問被鎖住的數據，直到擁有鎖的線程釋放它。

管程

JVM 使用鎖和管程協做。管程監視一段代碼，保證一個時間點內只有一個線程能執行這段代碼。

每一個管程與一個對象引用關聯。當線程到達管程監視代碼段的第一條指令時，線程必須獲取關聯對象的鎖。線程不能執行這段代碼直到它獲得了鎖。一旦它獲得了鎖，線程能夠進入被保護的代碼段。

當線程離開被保護的代碼塊，無論是如何離開的，它都會釋放關聯對象的鎖。

屢次鎖定

一個線程被容許鎖定一個對象屢次。對於每一個對象，JVM 維護了一個鎖的計數器。沒有被鎖的對象計數爲 0。當一個線程第一次獲取鎖，計數器自增變爲 1。每次這個線程（已經獲得鎖的線程）請求同一個對象的鎖，計數器都會自增。每次線程釋放鎖，計數器都會自減。當計數器變爲 0 時，鎖才被釋放，能夠給別的線程使用。

同步塊

在 Java 語言的術語中，協調多個線程訪問共享數據被稱爲同步（synchronization）。Java 提供了兩種內建的方式來同步對數據的訪問：

1. 同步語句
2. 同步方法

同步語句

爲了建立同步語句，你須要使用synchronized關鍵字，括號裏面是同步的對象引用，以下所示：

class KitchenSync {
    private int[] intArray = new int[10];
    void reverseOrder() {
        synchronized (this) {
            int halfWay = intArray.length / 2;
            for (int i = 0; i < halfWay; ++i) {
                int upperIndex = intArray.length - 1 - i;
                int save = intArray[upperIndex];
                intArray[upperIndex] = intArray[i];
                intArray[i] = save;
            }
        }
    }
}

在上面的例子中，被同步塊包含的語句不會被執行，直到線程獲得this引用的對象鎖。若是不是鎖住this引用，而是鎖住其餘對象，在線程執行同步塊語句以前，它須要得到該對象的鎖。

有兩個字節碼monitorenter和monitorexit，被用來同步方法中的同步塊。

字節碼	操做數	描述
monitorenter	無	取出對象引用，請求與對象引用關聯的鎖
monitorexit	無	取出對象引用，釋放與對象引用關聯的鎖

當monitorenter被 JVM 執行時，它請求棧頂對象引用關聯的鎖。若是該線程已經擁有該對象的鎖，計數器自增。每次monitorexit被執行，計數器自減。當計數器變爲 0 時，該鎖被釋放。

注意：當同步塊中拋出異常時，catch語句保證對象鎖被釋放。無論同步塊是如何退出的，JVM 保證線程會釋放鎖。

同步方法

爲了同步整個方法，你只須要在方法聲明前面加上synchronized關鍵字。

class HeatSync {
    private int[] intArray = new int[10];
    synchronized void reverseOrder() {
        int halfWay = intArray.length / 2;
        for (int i = 0; i < halfWay; ++i) {
            int upperIndex = intArray.length - 1 - i;
            int save = intArray[upperIndex];
            intArray[upperIndex] = intArray[i];
            intArray[i] = save;
        }
    }
}

JVM 不會使用特殊的字節碼來調用同步方法。當 JVM 解析方法的符號引用時，它會判斷方法是否是同步的。若是是，JVM 要求線程在調用以前請求鎖。對於實例方法，JVM 要求獲得該實例對象的鎖。對於類方法，JVM 要求獲得類鎖。在同步方法完成以後，無論它是正常返回仍是拋出異常，鎖都會被釋放。