死磕synchronized底層實現

時間 2020-05-19

標籤 synchronized 底層實現欄目 Java 简体版

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前言

多線程的東西不少，也頗有意思，因此我最近的重心可能都是多線程的方向去靠了，不知道你們喜歡否？java

閱讀本文以前閱讀如下兩篇文章會幫助你更好的理解：c++

Volatilegit

樂觀鎖&悲觀鎖程序員

正文

場景

咱們正常去使用Synchronized通常都是用在下面這幾種場景：編程

修飾實例方法，對當前實例對象this加鎖api

public class Synchronized {
    public synchronized void husband(){

    }
}

修飾靜態方法，對當前類的Class對象加鎖緩存

public class Synchronized {
    public void husband(){
        synchronized(Synchronized.class){

        }
    }
}

修飾代碼塊，指定一個加鎖的對象，給對象加鎖數據結構

public class Synchronized {
    public void husband(){
        synchronized(new test()){

        }
    }
}

其實就是鎖方法、鎖代碼塊和鎖對象，那他們是怎麼實現加鎖的呢？多線程

在這以前，我就先跟你們聊一下咱們Java對象的構成併發

在 JVM 中，對象在內存中分爲三塊區域：

對象頭
- Mark Word（標記字段）：默認存儲對象的HashCode，分代年齡和鎖標誌位信息。它會根據對象的狀態複用本身的存儲空間，也就是說在運行期間Mark Word裏存儲的數據會隨着鎖標誌位的變化而變化。
- Klass Point（類型指針）：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。
實例數據
- 這部分主要是存放類的數據信息，父類的信息。
對其填充
- 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。
  Tip：不知道你們有沒有被問過一個空對象佔多少個字節？就是8個字節，是由於對齊填充的關係哈，不到8個字節對其填充會幫咱們自動補齊。

咱們常常說到的，有序性、可見性、原子性，synchronized又是怎麼作到的呢?

有序性

我在Volatile章節已經說過了CPU會爲了優化咱們的代碼，會對咱們程序進行重排序。

as-if-serial

無論編譯器和CPU如何重排序，必須保證在單線程狀況下程序的結果是正確的，還有就是有數據依賴的也是不能重排序的。

就好比：

int a = 1;
int b = a;

這兩段是怎麼都不能重排序的，b的值依賴a的值，a若是不先賦值，那就爲空了。

可見性

一樣在Volatile章節我介紹到了現代計算機的內存結構，以及JMM（Java內存模型），這裏我須要說明一下就是JMM並非實際存在的，而是一套規範，這個規範描述了不少java程序中各類變量（線程共享變量）的訪問規則，以及在JVM中將變量存儲到內存和從內存中讀取變量這樣的底層細節，Java內存模型是對共享數據的可見性、有序性、和原子性的規則和保障。

你們感興趣，也記得去了解計算機的組成部分，cpu、內存、多級緩存等，會幫助更好的理解java這麼作的緣由。

原子性

其實他保證原子性很簡單，確保同一時間只有一個線程能拿到鎖，可以進入代碼塊這就夠了。

這幾個是咱們使用鎖常常用到的特性，那synchronized他本身自己又具備哪些特性呢？

可重入性

synchronized鎖對象的時候有個計數器，他會記錄下線程獲取鎖的次數，在執行完對應的代碼塊以後，計數器就會-1，直到計數器清零，就釋放鎖了。

那可重入有什麼好處呢？

能夠避免一些死鎖的狀況，也可讓咱們更好封裝咱們的代碼。

不可中斷性

不可中斷就是指，一個線程獲取鎖以後，另一個線程處於阻塞或者等待狀態，前一個不釋放，後一個也一直會阻塞或者等待，不能夠被中斷。

值得一提的是，Lock的tryLock方法是能夠被中斷的。

底層實現

這裏看實現很簡單，我寫了一個簡單的類，分別有鎖方法和鎖代碼塊，咱們反編譯一下字節碼文件，就能夠了。

先看看我寫的測試類：

/**
 *@Description: Synchronize
 *@Author: 敖丙
 *@date: 2020-05-17
 **/
public class Synchronized {
    public synchronized void husband(){
        synchronized(new Volatile()){

        }
    }
}

編譯完成，咱們去對應目錄執行 javap -c xxx.class 命令查看反編譯的文件：

MacBook-Pro-3:juc aobing$ javap -p -v -c Synchronized.class
Classfile /Users/aobing/IdeaProjects/Thanos/laogong/target/classes/juc/Synchronized.class
  Last modified 2020-5-17; size 375 bytes
  MD5 checksum 4f5451a229e80c0a6045b29987383d1a
  Compiled from "Synchronized.java"
public class juc.Synchronized
  minor version: 0
  major version: 49
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #3.#14         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #15            // juc/Synchronized
   #3 = Class              #16            // java/lang/Object
   #4 = Utf8               <init>
   #5 = Utf8               ()V
   #6 = Utf8               Code
   #7 = Utf8               LineNumberTable
   #8 = Utf8               LocalVariableTable
   #9 = Utf8               this
  #10 = Utf8               Ljuc/Synchronized;
  #11 = Utf8               husband
  #12 = Utf8               SourceFile
  #13 = Utf8               Synchronized.java
  #14 = NameAndType        #4:#5          // "<init>":()V
  #15 = Utf8               juc/Synchronized
  #16 = Utf8               java/lang/Object
{
  public juc.Synchronized();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 8: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Ljuc/Synchronized;

  public synchronized void husband();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED  // 這裏
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: ldc           #2                  // class juc/Synchronized
         2: dup
         3: astore_1
         4: monitorenter   // 這裏
         5: aload_1
         6: monitorexit    // 這裏
         7: goto          15
        10: astore_2
        11: aload_1
        12: monitorexit    // 這裏
        13: aload_2
        14: athrow
        15: return
      Exception table:
         from    to  target type
             5     7    10   any
            10    13    10   any
      LineNumberTable:
        line 10: 0
        line 12: 5
        line 13: 15
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      16     0  this   Ljuc/Synchronized;
}
SourceFile: "Synchronized.java"

同步代碼

你們能夠看到幾處我標記的，我在最開始提到過對象頭，他會關聯到一個monitor對象。

當咱們進入一我的方法的時候，執行monitorenter，就會獲取當前對象的一個全部權，這個時候monitor進入數爲1，當前的這個線程就是這個monitor的owner。
若是你已是這個monitor的owner了，你再次進入，就會把進入數+1.
同理，當他執行完monitorexit，對應的進入數就-1，直到爲0，才能夠被其餘線程持有。

全部的互斥，其實在這裏，就是看你可否得到monitor的全部權，一旦你成爲owner就是得到者。

同步方法

不知道你們注意到方法那的一個特殊標誌位沒，ACC_SYNCHRONIZED。

同步方法的時候，一旦執行到這個方法，就會先判斷是否有標誌位，而後，ACC_SYNCHRONIZED會去隱式調用剛纔的兩個指令：monitorenter和monitorexit。

因此歸根究底，仍是monitor對象的爭奪。

monitor

我說了這麼屢次這個對象，你們是否是覺得就是個虛無的東西，其實不是，monitor監視器源碼是C++寫的，在虛擬機的ObjectMonitor.hpp文件中。

我看了下源碼，他的數據結構長這樣：

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0;
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;  // 線程重入次數
    _object       = NULL;  // 存儲Monitor對象
    _owner        = NULL;  // 持有當前線程的owner
    _WaitSet      = NULL;  // wait狀態的線程列表
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;  // 單向列表
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ;  // 處於等待鎖狀態block狀態的線程列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
    _previous_owner_tid = 0;
  }

這塊c++代碼，我也放到了個人開源項目了，你們自行查看。

synchronized底層的源碼就是引入了ObjectMonitor，這一塊你們有興趣能夠看看，反正我上面說的，還有你們常常聽到的概念，在這裏都能找到源碼。