[Java多線程 -2]：由淺入深看synchronized的底層實現原理

前言

[從零開啓 Java 多線程 - 1 ]：開胃小菜

前倆篇文章，咱們聊了聊線程/進程的概念，接着簡單串了一下同步的方式方法。今天咱們就單拎出來synchronized，好好捋一捋它的前世此生。

正文

小A：我們前幾天鋪墊了這麼多內容，今天是否是要好好的深挖一下原理的內容了？

MDove：沒錯，接下來。我會從常見的synchronized加鎖方式入手；引出Java對象在內存的佈局，以及鎖的存放位置；而後看一看鎖在C++中的簡單實現思路；最後我們從字節碼中，看一下JVM若是識別synchronized。內容不是很難，不會涉及到特別多深奧的內容，大部分是平鋪直敘的介紹，很適合閱讀呦~

小A：快點開始吧，我等不及啦。

淺聊synchronized的使用

MDove：提及synchronized的底層實現原來，我們先看看synchronized的倆種加鎖方式：

一、某個對象實例內

此做用域內的synchronized鎖 ，能夠防止多個線程同時訪問這個對象的synchronized方法

而且一個對象有多個synchronized方法，只要一個線程訪問了其中的一個synchronized方法，其它線程不能同時訪問這個對象中任何一個synchronized方法。

此外，不一樣對象實例的synchronized方法是不相干預的。也就是說，其它線程能夠同時訪問此類下的另外一個對象實例中的synchronized方法；

public synchronized void method(){
  // TODO
}

public void method(){
  synchronized(this) {
   // TODO
  }
}
複製代碼

二、某個類

此做用域下，能夠防止多個線程同時訪問這個類中的synchronized方法。也就是說此種修飾，能夠對此類的全部對象實例起做用。

public void method() {
   synchronized(ClassName.class) {
     // todo
   }
}

public static synchronized method(){
	// TODO
}
複製代碼

MDove：注意一點，synchronized關鍵字是不能繼承的，也就是說，基類的方法synchronized fun(){} 在繼承類中並不自動是synchronized fun(){}，而是變成了fun(){}。繼承時，須要顯式的指定它的某個方法爲synchronized方法。有機會你能夠本身寫個demo試一下。

常見錯誤

MDove：你來看一看下面這個demo，有沒有什麼問題？

public class ErrorSyncInstance implements Runnable{
    static int i=0;
    public synchronized void add(){
        i++;
    }
    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<1000000;j++){
            add();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1=new Thread(new ErrorSyncInstance());
        Thread t2=new Thread(new ErrorSyncInstance());
        t1.start();
        t2.start();
        
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}
複製代碼

小A：沒以爲有問題吶？這不就是第一種加鎖的方式，鎖實例對象麼？

MDove：既然你都知道是鎖實例對象，那你沒看出來問題麼？雖然咱們使用synchronized修飾了add()。可是卻new了兩個不一樣的實例對象，這也就意味着存在着兩個不一樣的實例對象鎖，所以t1和t2都會進入各自的對象鎖，也就是說t1和t2線程使用的是不一樣的鎖，所以線程安全是沒法保證的。

小A：對對對，沒錯。那解決這種問題，是否是須要用第二種加鎖的方式，鎖住這個類？

MDove：沒錯，解決這種困境的的方式是將synchronized做用於靜態的add方法，這樣的話，對象鎖就當前類，由於類對象只有一個，所以不管new多少個實例對象都是安全的：

小A：那是否是這樣改寫就能夠了？

public static synchronized void add(){
	i++;
}
複製代碼

MDove：沒錯就是這樣，很簡單。接下來讓咱們看一些深刻的內容，鎖的實現。

synchronized鎖的底層實現

MDove：咱們都知道，對象被建立在堆中。而且對象在內存中的存儲佈局方式能夠分爲3塊區域：對象頭、實例數據、對齊填充。其中對象頭，即是咱們今天的主角。

關於實例數據、對齊填充的做用，各位小夥伴能夠參考《深刻理解Java虛擬機》。

MDove：對於對象頭來講，主要是包括倆部分信息：

• 一、自身運行時的數據，好比：鎖狀態標誌、線程持有的鎖...等等。（此部份內容被稱之爲Mark Word）

存儲內容	標誌位	狀態
對象哈希碼、對象分代年齡	01	未鎖定
指向鎖記錄的指針	00	輕量級鎖定
指向重量級鎖的指針	10	重量級鎖定
空	11	GC標記
偏向線程ID、偏向時間戳、對象分代年齡	01	可偏向

今天咱們只聊：指向重量級鎖的指針

• 二、另外一部分是類型指針：JVM經過這個指針來肯定這個對象是哪一個類的實例。

MDove：今天咱們主要聊的是對象頭，第一部分中重量級鎖的內容。

MDove：先讓咱們從宏觀的角度看一看synchronized鎖的實現原理。

synchronized鎖的宏觀實現

MDove：synchronized的對象鎖，其指針指向的是一個monitor對象（由C++實現）的起始地址。每一個對象實例都會有一個 monitor。其中monitor能夠與對象一塊兒建立、銷燬；亦或者當線程試圖獲取對象鎖時自動生成。

monitor是由ObjectMonitor實現（ObjectMonitor.hpp文件，C++實現的），對於咱們來講主要關注的是以下代碼：

ObjectMonitor() {
	// 省略部分變量
    _count        = 0; 
    _owner        = NULL;
    _WaitSet      = NULL;
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _EntryList    = NULL ;
}
複製代碼

MDove：咱們能夠看到這裏定義了_WaitSet 和 _EntryList倆個隊列，其中_WaitSet 用來保存每一個等待鎖的線程對象。

小A：那_EntryList呢？

MDove：彆着急，讓咱們先看一下_owner，它指向持有ObjectMonitor對象的線程。當多個線程同時訪問一段同步代碼時，會先存放到 _EntryList 集合中，接下來當線程獲取到對象的monitor時，就會把_owner變量設置爲當前線程。同時count變量+1。若是線程調用wait() 方法，就會釋放當前持有的monitor，那麼_owner變量就會被置爲null，同時_count減1，而且該線程進入 WaitSet集合中，等待下一次被喚醒。

MDove：固然，若當前線程順利執行完方法，也將釋放monitor，重走一遍剛纔的內容，也就是_owner變量就會被置爲null，同時_count減1，而且該線程進入 WaitSet集合中，等待下一次被喚醒。

由於這個鎖對象存放在對象自己，也就是爲何Java中任意對象能夠做爲鎖的緣由。

synchronized代碼塊的底層實現

MDove：我們先寫一個簡單的demo，而後看一下它們的字節碼：

private int i = 0;

public void fun() {
    synchronized (this) {
        i++;
    }
}
複製代碼

MDove：根據虛擬機規範要求，在執行monitorenter指令時，首先要嘗試獲取對象鎖，也就是上文咱們提到了monitor對象。若是這個對象沒有被鎖定，或者當前線程已經擁有了這個對象的鎖，那麼就把鎖的計數器（_count）加1。固然與之對應執行monitorexit指令時，鎖的計數器（_count）也會減1。

MDove：若是當前線程獲取鎖失敗，那麼就會被阻塞住，進入_WaitSet 中，等待鎖被釋放爲止。

小A：等等，我看到字節碼中，有倆個monitorexit指令，這是爲何呢？

MDove：是這樣的，編譯器須要確保方法中調用過的每條monitorenter指令都要執行對應的monitorexit 指令。爲了保證在方法異常時，monitorenter和monitorexit指令也能正常配對執行，編譯器會自動產生一個異常處理器，它的目的就是用來執行 異常的monitorexit指令。而字節碼中多出的monitorexit指令，就是異常結束時，被執行用來釋放monitor的。

小A：咱們剛纔看的是同步代碼塊的原理，那麼直接修飾在方法上呢？也是經過這個倆個指令嗎？

MDove：你別說，還真不是：

public synchronized void fun() {
    i++;
}
複製代碼

MDove：能夠看到：字節碼中並無monitorenter指令和monitorexit指令，取得代之的是ACC_SYNCHRONIZED標識，JVM經過ACC_SYNCHRONIZED標識，就能夠知道這是一個須要同步的方法，進而執行上述同步的過程，也就是_count加1，這些過程。

小A：哦，原來是這樣。一個是用了指令，一個是用的標識呀~對了，我據說synchronized的性能特別低是這樣麼？

MDove：這句話不全對，JDK1.5後對synchronized進行了大刀闊斧的優化，這其中涉及到偏向鎖、輕量級鎖、自旋鎖、鎖消除等手段。時候也不早了，這些內容今天就不展開了。有機會咱們下次再學習吧~

劇終

我是一個應屆生，最近和朋友們維護了一個公衆號，內容是咱們在從應屆生過渡到開發這一路所踩過的坑，以及咱們一步步學習的記錄，若是感興趣的朋友能夠關注一下，一同加油~