Synchronized解析——若是你願意一層一層剝開個人心

時間 2019-11-06

標籤 synchronized 解析若是願意一層剝開個人欄目 Java 简体版

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前言

synchronized，是解決併發狀況下數據同步訪問問題的一把利刃。那麼synchronized的底層原理是什麼呢？下面咱們來一層一層剝開它的心，就像剝洋蔥同樣，看個究竟。html

Synchronized的使用場景

synchronized關鍵字能夠做用於方法或者代碼塊，最主要有如下幾種使用方式，如圖： java

接下來，咱們先剝開synchronized的第一層，反編譯其做用的代碼塊以及方法。bash

synchronized做用於代碼塊

public class SynchronizedTest {

    public void doSth(){
        synchronized (SynchronizedTest.class){
            System.out.println("test Synchronized" );
        }
    }
}
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反編譯，可得：數據結構

由圖可得，添加了synchronized關鍵字的代碼塊，多了兩個指令monitorenter、monitorexit。即JVM使用monitorenter和monitorexit兩個指令實現同步，monitorenter、monitorexit又是怎樣保證同步的呢？咱們等下剝第二層繼續探索。多線程

synchronized做用於方法

public synchronized void doSth(){
            System.out.println("test Synchronized method" );
    }
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反編譯，可得：併發

由圖可得，添加了synchronized關鍵字的方法，多了ACC_SYNCHRONIZED標記。即JVM經過在方法訪問標識符(flags)中加入ACC_SYNCHRONIZED來實現同步功能。oracle

monitorenter、monitorexit、ACC_SYNCHRONIZED

剝完第一層，反編譯synchronized的方法以及代碼塊，咱們已經知道synchronized是經過monitorenter、monitorexit、ACC_SYNCHRONIZED實現同步的，它們三做用都是啥呢？咱們接着剝第二層：jvm

monitorenter

monitorenter指令介紹工具

Each object is associated with a monitor. A monitor is locked if and only if it has an owner. The thread that executes monitorenter attempts to gain ownership of the monitor associated with objectref, as follows:佈局

If the entry count of the monitor associated with objectref is zero, the thread enters the monitor and sets its entry count to one. The thread is then the owner of the monitor.

If the thread already owns the monitor associated with objectref, it reenters the monitor, incrementing its entry count.

If another thread already owns the monitor associated with objectref, the thread blocks until the monitor's entry count is zero, then tries again to gain ownership.

谷歌翻譯一下，以下：

每一個對象都與一個monitor 相關聯。當且僅當擁有全部者時（被擁有），monitor纔會被鎖定。執行到monitorenter指令的線程，會嘗試去得到對應的monitor，以下：

每一個對象維護着一個記錄着被鎖次數的計數器, 對象未被鎖定時，該計數器爲0。線程進入monitor（執行monitorenter指令）時，會把計數器設置爲1.

當同一個線程再次得到該對象的鎖的時候，計數器再次自增.

當其餘線程想得到該monitor的時候，就會阻塞，直到計數器爲0才能成功。

能夠看一下如下的圖，便於理解用：

monitorexit

monitorexit指令介紹

The thread that executes monitorexit must be the owner of the monitor associated with the instance referenced by objectref.

The thread decrements the entry count of the monitor associated with objectref. If as a result the value of the entry count is zero, the thread exits the monitor and is no longer its owner. Other threads that are blocking to enter the monitor are allowed to attempt to do so.

谷歌翻譯一下，以下：

monitor的擁有者線程才能執行 monitorexit指令。

線程執行monitorexit指令，就會讓monitor的計數器減一。若是計數器爲0，代表該線程再也不擁有monitor。其餘線程就容許嘗試去得到該monitor了。

能夠看一下如下的圖，便於理解用：

ACC_SYNCHRONIZED

ACC_SYNCHRONIZED介紹

Method-level synchronization is performed implicitly, as part of method invocation and return. A synchronized method is distinguished in the run-time constant pool’s method_info structure by the ACC_SYNCHRONIZED flag, which is checked by the method invocation instructions. When invoking a method for which ACC_SYNCHRONIZED is set, the executing thread enters a monitor, invokes the method itself, and exits the monitor whether the method invocation completes normally or abruptly. During the time the executing thread owns the monitor, no other thread may enter it. If an exception is thrown during invocation of the synchronized method and the synchronized method does not handle the exception, the monitor for the method is automatically exited before the exception is rethrown out of the synchronized method.

谷歌翻譯一下，以下：

方法級別的同步是隱式的，做爲方法調用的一部分。同步方法的常量池中會有一個ACC_SYNCHRONIZED標誌。

當調用一個設置了ACC_SYNCHRONIZED標誌的方法，執行線程須要先得到monitor鎖，而後開始執行方法，方法執行以後再釋放monitor鎖，當方法不論是正常return仍是拋出異常都會釋放對應的monitor鎖。

在這期間，若是其餘線程來請求執行方法，會由於沒法得到監視器鎖而被阻斷住。

若是在方法執行過程當中，發生了異常，而且方法內部並無處理該異常，那麼在異常被拋到方法外面以前監視器鎖會被自動釋放。

能夠看一下這個流程圖：

Synchronized第二層的總結

同步代碼塊是經過monitorenter和monitorexit來實現，當線程執行到monitorenter的時候要先得到monitor鎖，才能執行後面的方法。當線程執行到monitorexit的時候則要釋放鎖。
同步方法是經過中設置ACC_SYNCHRONIZED標誌來實現，當線程執行有ACC_SYNCHRONI標誌的方法，須要得到monitor鎖。
每一個對象維護一個加鎖計數器，爲0表示能夠被其餘線程得到鎖，不爲0時，只有當前鎖的線程才能再次得到鎖。
同步方法和同步代碼塊底層都是經過monitor來實現同步的。
每一個對象都與一個monitor相關聯，線程能夠佔有或者釋放monitor。

好的，剝到這裏，咱們還有一些不清楚的地方，monitor是什麼呢，爲何它能夠實現同步呢？對象又是怎樣跟monitor關聯的呢？客觀別急，咱們繼續剝下一層，請往下看。

monitor監視器

montor究竟是什麼呢？咱們接下來剝開Synchronized的第三層，monitor是什麼？ 它能夠理解爲一種同步工具，或者說是同步機制，它一般被描述成一個對象。操做系統的管程是概念原理，ObjectMonitor是它的原理實現。

操做系統的管程

管程 (英語：Monitors，也稱爲監視器) 是一種程序結構，結構內的多個子程序（對象或模塊）造成的多個工做線程互斥訪問共享資源。
這些共享資源通常是硬件設備或一羣變量。管程實現了在一個時間點，最多隻有一個線程在執行管程的某個子程序。
與那些經過修改數據結構實現互斥訪問的併發程序設計相比，管程實現很大程度上簡化了程序設計。
管程提供了一種機制，線程能夠臨時放棄互斥訪問，等待某些條件獲得知足後，從新得到執行權恢復它的互斥訪問。

ObjectMonitor

ObjectMonitor數據結構

在Java虛擬機（HotSpot）中，Monitor（管程）是由ObjectMonitor實現的，其主要數據結構以下：

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; // 記錄個數
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;
    _WaitSet      = NULL;  // 處於wait狀態的線程，會被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ;  // 處於等待鎖block狀態的線程，會被加入到該列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }
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ObjectMonitor關鍵字

ObjectMonitor中幾個關鍵字段的含義如圖所示：

工做機理

Java Monitor 的工做機理如圖所示：

想要獲取monitor的線程,首先會進入_EntryList隊列。
當某個線程獲取到對象的monitor後,進入_Owner區域，設置爲當前線程,同時計數器_count加1。
若是線程調用了wait()方法，則會進入_WaitSet隊列。它會釋放monitor鎖，即將_owner賦值爲null,_count自減1,進入_WaitSet隊列阻塞等待。
若是其餘線程調用 notify() / notifyAll() ，會喚醒_WaitSet中的某個線程，該線程再次嘗試獲取monitor鎖，成功即進入_Owner區域。
同步方法執行完畢了，線程退出臨界區，會將monitor的owner設爲null，並釋放監視鎖。

爲了形象生動一點，舉個例子：

synchronized(this){  //進入_EntryList隊列
            doSth();
            this.wait();  //進入_WaitSet隊列
        }
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OK，咱們又剝開一層，知道了monitor是什麼了，那麼對象又是怎樣跟monitor關聯呢？各位帥哥美女們，咱們接着往下看，去剝下一層。

對象與monitor關聯

對象是如何跟monitor關聯的呢？直接先看圖：

看完上圖，其實對象跟monitor怎樣關聯，咱們已經有個大概認識了，接下來咱們分對象內存佈局，對象頭，MarkWord一層層繼續往下探討。

對象的內存佈局

在HotSpot虛擬機中,對象在內存中存儲的佈局能夠分爲3塊區域：對象頭（Header），實例數據（Instance Data）和對象填充（Padding）。

實例數據：對象真正存儲的有效信息，存放類的屬性數據信息，包括父類的屬性信息；
對齊填充：因爲虛擬機要求對象起始地址必須是8字節的整數倍。填充數據不是必須存在的，僅僅是爲了字節對齊。
對象頭：Hotspot虛擬機的對象頭主要包括兩部分數據：Mark Word（標記字段）、Class Pointer（類型指針）。

對象頭

對象頭主要包括兩部分數據：Mark Word（標記字段）、Class Pointer（類型指針）。

Class Pointer:是對象指向它的類元數據的指針，虛擬機經過這個指針來肯定這個對象是哪一個類的實例
Mark Word : 用於存儲對象自身的運行時數據，它是實現輕量級鎖和偏向鎖的關鍵。

Mark word

Mark Word 用於存儲對象自身的運行時數據，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態標誌、線程持有的鎖、偏向線程 ID、偏向時間戳等。

在32位的HotSpot虛擬機中，若是對象處於未被鎖定的狀態下，那麼Mark Word的32bit空間裏的25位用於存儲對象哈希碼，4bit用於存儲對象分代年齡，2bit用於存儲鎖標誌位，1bit固定爲0，表示非偏向鎖。其餘狀態以下圖所示：

前面分析可知，monitor特色是互斥進行，你再喵一下上圖，重量級鎖，指向互斥量的指針。
其實synchronized是重量級鎖，也就是說Synchronized的對象鎖，Mark Word鎖標識位爲10，其中指針指向的是Monitor對象的起始地址。
頓時，是否是感受柳暗花明又一村啦！對象與monitor怎麼關聯的？答案：Mark Word重量級鎖，指針指向monitor地址。

Synchronized剝開第四層小總結

對象與monitor怎麼關聯？

對象裏有對象頭
對象頭裏面有Mark Word
Mark Word指針指向了monitor

鎖優化

事實上，只有在JDK1.6以前，synchronized的實現纔會直接調用ObjectMonitor的enter和exit，這種鎖被稱之爲重量級鎖。一個重量級鎖，爲啥還要常用它呢？ 從JDK6開始，HotSpot虛擬機開發團隊對Java中的鎖進行優化，如增長了適應性自旋、鎖消除、鎖粗化、輕量級鎖和偏向鎖等優化策略。