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synchronized作為Java程序員最常用同步工具，很多人卻對(duì)它的用法和實(shí)現(xiàn)原理一知半解，以至于還有不少人認(rèn)為synchronized是重量級(jí)鎖，性能較差，盡量少用。
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但不可否認(rèn)的是synchronized依然是并發(fā)首選工具，連volatile、CAS、ReentrantLock都無法動(dòng)搖synchronized的地位。synchronized是工作面試中的必備技能，今天就跟著一燈一塊深入剖析synchronized的底層原理。
1. synchronized作用
synchronized是Java提供一種隱式鎖，無需開發(fā)者手動(dòng)加鎖釋放鎖。保證多線程并發(fā)情況下數(shù)據(jù)的安全性，實(shí)現(xiàn)了同一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)線程能訪問資源，其他線程只能阻塞等待，簡單說就是互斥同步。
2. synchronized用法
先看一下synchronized有哪幾種用法？
|
使用位置 |
被鎖對(duì)象 |
示例代碼 |
|
實(shí)例方法 |
? |
public synchronized void method() { …… } |
|
靜態(tài)方法 |
? |
public static synchronized void method() { …… } |
|
實(shí)例對(duì)象 |
? |
public void method() { Object obj = new Object(); synchronized (obj) { …… } } |
|
類對(duì)象 |
? |
public void method() { synchronized (Demo.class) { …… } } |
|
this關(guān)鍵字 |
? |
public void method() { synchronized (this) { …… } } |
可以看到被鎖對(duì)象只要有兩種，實(shí)例對(duì)象和class類。
- 由于靜態(tài)方法可以通過類名直接訪問，所以它跟直接加鎖在class類上是一樣的。
- 當(dāng)在實(shí)例方法、實(shí)例對(duì)象、this關(guān)鍵字上面加鎖的時(shí)候，鎖定范圍都是當(dāng)前實(shí)例對(duì)象。
- 實(shí)例對(duì)象上面的鎖和class類上面的鎖，兩者不互斥。
3. synchronized加鎖原理
當(dāng)我們使用synchronized在方法和對(duì)象上加鎖的時(shí)候，Java底層到底怎么實(shí)現(xiàn)加鎖的？
當(dāng)在類對(duì)象上加鎖的時(shí)候，也就是在class類加鎖，代碼如下：
/**
* @author 一燈架構(gòu)
* @apiNote Synchronized示例
**/
public class SynchronizedDemo {
public void method(){
synchronized (SynchronizedDemo.class) {
System.out.println("Hello world!");
}
}
}
反編譯一下，看一下源碼實(shí)現(xiàn)：
可以看到，底層是通過monitorenter和monitorexit兩個(gè)關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)的加鎖與釋放鎖，執(zhí)行同步代碼之前使用monitorenter加鎖，執(zhí)行完同步代碼使用monitorexit釋放鎖，拋出異常的時(shí)候也是用monitorexit釋放鎖。
寫成偽代碼，類似下面這樣：
/**
* @author 一燈架構(gòu)
* @apiNote Synchronized示例
**/
public class SynchronizedDemo {
public void method(){
try {
monitorenter 加鎖;
System.out.println("Hello world!");
monitorexit 釋放鎖;
} catch (Exception e) {
monitorexit 釋放鎖;
}
}
}
當(dāng)在實(shí)例方法上加鎖，底層是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？代碼如下：
/**
* @author 一燈架構(gòu)
* @apiNote Synchronized示例
**/
public class SynchronizedDemo {
public static synchronized void method(){
System.out.println("Hello world!");
}
}
再反編譯看一下底層實(shí)現(xiàn)：
這次只使用了一個(gè)ACC_SYNCHRONIZED關(guān)鍵字，實(shí)現(xiàn)了隱式的加鎖與釋放鎖。其實(shí)無論是ACC_SYNCHRONIZED關(guān)鍵字，還是monitorenter和monitorexit，底層都是通過獲取monitor鎖來實(shí)現(xiàn)的加鎖與釋放鎖。
而monitor鎖又是通過ObjectMonitor來實(shí)現(xiàn)的，虛擬機(jī)中ObjectMonitor數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下（C++實(shí)現(xiàn)的）：
ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0; // WaitSet 和 EntryList 的節(jié)點(diǎn)數(shù)之和
_waiters = 0,
_recursions = 0; // 重入次數(shù)
_object = NULL;
_owner = NULL; // 持有鎖的線程
_WaitSet = NULL; // 處于wait狀態(tài)的線程，會(huì)被加入到_WaitSet
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ; // 多個(gè)線程爭搶鎖，會(huì)先存入這個(gè)單向鏈表
FreeNext = NULL ;
_EntryList = NULL ; // 處于等待鎖block狀態(tài)的線程，會(huì)被加入到該列表
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
}
圖上展示了ObjectMonitor的基本工作機(jī)制：
當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問一段同步代碼時(shí)，首先會(huì)進(jìn)入 _EntryList 隊(duì)列中等待。
當(dāng)某個(gè)線程獲取到對(duì)象的Monitor鎖后進(jìn)入臨界區(qū)域，并把Monitor中的 _owner 變量設(shè)置為當(dāng)前線程，同時(shí)Monitor中的計(jì)數(shù)器 _count 加1。即獲得對(duì)象鎖。
若持有Monitor的線程調(diào)用 wait() 方法，將釋放當(dāng)前持有的Monitor鎖，_owner變量恢復(fù)為null，_count減1，同時(shí)該線程進(jìn)入 _WaitSet 集合中等待被喚醒。
在_WaitSet 集合中的線程會(huì)被再次放到_EntryList 隊(duì)列中，重新競爭獲取鎖。
若當(dāng)前線程執(zhí)行完畢也將釋放Monitor并復(fù)位變量的值，以便其他線程進(jìn)入獲取鎖。
線程爭搶鎖的過程要比上面展示得更加復(fù)雜。除了_EntryList 這個(gè)雙向鏈表用來保存競爭的線程，ObjectMonitor中還有另外一個(gè)單向鏈表 _cxq，由兩個(gè)隊(duì)列來共同管理并發(fā)的線程。
當(dāng)前標(biāo)題：Java程序員必會(huì)Synchronized底層原理剖析
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