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Java并发编程深入理解之Synchronized的使用及底层原理详解 上

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在并发编程中存在线程安全问题，主要原因有：1.存在共享数据 2.多线程共同操作共享数据。关键字synchronized可以保证在同一时刻，只有一个线程可以执行某个方法或某个代码块，同时

在并发编程中存在线程安全问题，主要原因有：1.存在共享数据 2.多线程共同操作共享数据。关键字synchronized可以保证在同一时刻，只有一个线程可以执行某个方法或某个代码块，同时synchronized可以保证一个线程的变化可见（可见性

一、线程安全问题

1、临界资源

多线程编程中，有可能会出现多个线程同时访问同一个共享、可变资源的情况，这个资源我们称之其为临界资源；这种资源可能是：对象、变量、文件等。

  1. 共享：资源可以由多个线程同时访问
  2. 可变：资源可以在其生命周期内被修改

2、线程安全问题

当多个线程同时访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那就称这个对象是线程安全的，否则就是非线程安全的。

3、如何解决线程安全问题

互斥同步（Mutual Exclusion & Synchronization）是一种最常见也是最主要的并发正确性保障手段。同步是指在多个线程并发访问共享数据时，保证共享数据在同一个时刻只被一条（或者是一些，当使用信号量的时候）线程使用。而互斥是实现同步的一种手段，临界区（Critical Section）、互斥量（Mutex）和信号量（Semaphore）都是常见的互斥实现方式。

在Java里面，最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字，另外还有从JDK1.5开始引入了JUC里面的Lock接口，其中用的比较多的就是ReentrantLock，后面也会进行介绍。

二、synchronized使用介绍

synchronized是JVM内置的，是可重入的，其使用方法有三种：加在static修饰的静态方法上，加在普通方法上，同步代码块三种方式。

  1. 加在静态方法上（public synchronized static void test()），锁的是当前类的Class对象
  2. 加在实例方法上（public synchronized void test()），锁的是当前对象
  3. synchronized同步代码块（synchronized(object) {......}），锁的是synchronized后面括号里面的对象

从上面可以看出synchronized锁的其实都是对象。

三、synchronized实现原理

1、synchronized底层指令：monitorenter和monitorexit

synchronized是基于JVM内置锁实现，通过内部对象Object Monitor(监视器锁)实现，基于进入与退出Monitor对象实现方法与代码块同步，监视器锁的实现依赖底层操作系统的Mutex lock（互斥锁）实现，它是一个重量级锁性能较低。当然，JVM内置锁在1.5之后版本做了重大的优化，如锁粗化（Lock Coarsening）、锁消除（Lock Elimination）、轻量级锁（Lightweight Locking）、偏向锁（Biased Locking）、适应性自旋（Adaptive Spinning）等技术来减少锁操作的开销，内置锁的并发性能已经基本与Lock持平。

注意：只有synchronized锁升级为重量级锁时才会用到Object Monitor(监视器锁)。

synchronized关键字被编译成字节码后会被翻译成monitorenter 和monitorexit 两条指令分别在同步块逻辑代码的起始位置与结束位置。

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public class TestSynchronized {
    private Object obj = new Object();
    public void testLock() {
        synchronized (obj) {
            System.out.println("获取了锁");
        }
    }
}

我们通过javap -c TestSynchronized.class将上面代码的class文件进行反汇编，可以看到如下所示：我们看到了monitorenter 和monitorexit 两条指令，但是monitorexit却出现了两次，原因如下：

  • 第一个monitorexit指令是同步代码块正常释放锁的一个标志；
  • 如果同步代码块中出现Exception或者Error，则会调用第二个monitorexit指令来保证释放锁
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public void testLock();
    Code:
       0: aload_0
       1: getfield      #3                  // Field obj:Ljava/lang/Object;
       4: dup
       5: astore_1
       6: monitorenter
       7: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      10: ldc           #5                  // String 鑾峰彇浜嗛攣
      12: invokevirtual #6                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      15: aload_1
      16: monitorexit
      17: goto          25
      20: astore_2
      21: aload_1
      22: monitorexit
      23: aload_2
      24: athrow
      25: return
    Exception table:
       from    to  target type
           7    17    20   any
          20    23    20   any

2、Object Monitor(监视器锁)机制

上面提到了，只有synchronized锁升级为重量级锁时才会用到Object Monitor(监视器锁)。我们看一下Object Monitor的实现机制是什么？查看OpenJDK源码可以看到Object Monitor由C++语言实现，打开JDK源码目录 “jdk\hotspot\src\share\vm\runtime“可以看到objectMonitor.hpp，这个就是监视器锁的实现，截取一段代码如下：

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ObjectMonitor() {
    _header       = NULL; //对象头
    _count        = 0;  //记录加锁次数，锁重入时用到
    _waiters      = 0, //当前有多少处于wait状态的thread
    _recursions   = 0; //记录锁的重入次数
    _object       = NULL;
    _owner        = 0; //指向持有ObjectMonitor对象的线程
    _WaitSet      = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ;//处于等待加锁block状态的线程，会被加入到该列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
    _previous_owner_tid = 0;
}

其中几个比较重要的字段：

  • _header 对象头，前面说过synchronized锁升级为重量级锁之后才会用到objectMonitor，这时候对象头的Mark word会有一个指向重量级锁Monitor的指针
  •  _count 线程获取锁的次数，每加锁一次该值加1。
  • _waiters 当前有多少处于wait状态的thread
  • _recursions 锁的重入次数 
  • _owner 指向持有ObjectMonitor对象的线程地址。 
  • _WaitSet 存放调用wait方法，而进入等待状态的线程的队列。
  • _EntryList 处于等待加锁block状态的线程，会被加入到该列表

ObjectMonitor的加锁解锁过程如下图所示，ObjectMonitor中有两个队列，_WaitSet 和 _EntryList，用来保存ObjectWaiter对象列表(每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象)；整个monitor运行的机制过程如下：

  • _owner指向持有ObjectMonitor对象的线程，当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入 _EntryList 集合
  • 当线程获取到对象的monitor 后进入 _Owner 区域并把monitor中的owner变量设置为当前线程的同时，monitor中的计数器count加1，
  • 若已经获取锁的线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复为null，count自减1，同时该线程进入 WaitSet集合中等待被唤醒。
  • 若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)。

Java并发编程深入理解之Synchronized的使用及底层原理详解 上

下节将会介绍一下synchronized的锁优化和锁升级过程

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