前言：

想了解 synchronized 是如何運行的？就要先搞清楚 synchronized 是如何實現(xiàn)？ synchronized 同步鎖是通過 JVM 內置的 Monitor 監(jiān)視器實現(xiàn)的，而監(jiān)視器又是依賴操作系統(tǒng)的互斥鎖 Mutex 實現(xiàn)的，那接下來我們先來了解一下監(jiān)視器。

監(jiān)視器

監(jiān)視器是一個概念或者說是一個機制，它用來保障在任何時候，只有一個線程能夠執(zhí)行指定區(qū)域的代碼。

一個監(jiān)視器像是一個建筑，建筑里有一個特殊的房間，這個房間同一時刻只能被一個線程所占有。一個線程從進入該房間到離開該房間，可以全程獨占該房間的所有數(shù)據(jù)。進入該建筑叫做進入監(jiān)視器（entering the monitor），進入該房間叫做獲得監(jiān)視器（acquiring the monitor），獨自占有該房間叫做擁有監(jiān)視器（owning the monitor），離開該房間叫做釋放監(jiān)視器（releasing the monitor），離開該建筑叫做退出監(jiān)視器（exiting the monitor）。

嚴格意義來說監(jiān)視器和鎖的概念是不同的，但很多地方也把二者相互指代。

底層實現(xiàn)

下面我們在代碼中添加一個 synchronized 代碼塊，來觀察一下它在字節(jié)碼層面是如何實現(xiàn)的？

示例代碼如下：

public class SynchronizedToMonitorExample {
    public static void main(String[] args) {
        int count = 0;
        synchronized (SynchronizedToMonitorExample.class) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                count++;
            }
        }
        System.out.println(count);
    }
}

當我們將上述代碼編譯成字節(jié)碼之后，得到的結果是這樣的： 

 從上述結果我們可以看出，在 main 方法中多了一對 monitorenter 和 monitorexit 的指令，它們的含義是：

• monitorenter：表示進入監(jiān)視器。
• monitorexit：表示退出監(jiān)視器。

由此可知 synchronized 是依賴 Monitor 監(jiān)視器實現(xiàn)的。

執(zhí)行流程

在 Java 中，synchronized 是非公平鎖，也是可以重入鎖。 所謂的非公平鎖是指，線程獲取鎖的順序不是按照訪問的順序先來先到的，而是由線程自己競爭，隨機獲取到鎖。 可重入鎖指的是，一個線程獲取到鎖之后，可以重復得到該鎖。這些內容是理解接下來內容的前置知識。 在 HotSpot 虛擬機中，Monitor 底層是由 C++實現(xiàn)的，它的實現(xiàn)對象是 ObjectMonitor，ObjectMonitor 結構體的實現(xiàn)如下：

ObjectMonitor::ObjectMonitor() {
  _header       = NULL;
  _count       = 0;
  _waiters      = 0,
  _recursions   = 0;       //線程的重入次數(shù)
  _object       = NULL;
  _owner        = NULL;    //標識擁有該monitor的線程
  _WaitSet      = NULL;    //等待線程組成的雙向循環(huán)鏈表，_WaitSet是第一個節(jié)點
  _WaitSetLock  = 0 ;
  _Responsible  = NULL ;
  _succ         = NULL ;
  _cxq          = NULL ;    //多線程競爭鎖進入時的單向鏈表
  FreeNext      = NULL ;
  _EntryList    = NULL ;    //_owner從該雙向循環(huán)鏈表中喚醒線程結點，_EntryList是第一個節(jié)點
  _SpinFreq     = 0 ;
  _SpinClock    = 0 ;
  OwnerIsThread = 0 ;
} 

在以上代碼中有幾個關鍵的屬性：

• _count：記錄該線程獲取鎖的次數(shù)（也就是前前后后，這個線程一共獲取此鎖多少次）。
• _recursions：鎖的重入次數(shù)。
• _owner：The Owner 擁有者，是持有該 ObjectMonitor（監(jiān)視器）對象的線程；
• _EntryList：EntryList 監(jiān)控集合，存放的是處于阻塞狀態(tài)的線程隊列，在多線程下，競爭失敗的線程會進入 EntryList 隊列。
• _WaitSet：WaitSet 待授權集合，存放的是處于 wait 狀態(tài)的線程隊列，當線程執(zhí)行了 wait() 方法之后，會進入 WaitSet 隊列。

監(jiān)視器執(zhí)行的流程如下：

• 線程通過 CAS（對比并替換）嘗試獲取鎖，如果獲取成功，就將 _owner 字段設置為當前線程，說明當前線程已經持有鎖，并將 _recursions 重入次數(shù)的屬性 +1。如果獲取失敗則先通過自旋 CAS 嘗試獲取鎖，如果還是失敗則將當前線程放入到 EntryList 監(jiān)控隊列（阻塞）。
• 當擁有鎖的線程執(zhí)行了 wait 方法之后，線程釋放鎖，將 owner 變量恢復為 null 狀態(tài)，同時將該線程放入 WaitSet 待授權隊列中等待被喚醒。
• 當調用 notify 方法時，隨機喚醒 WaitSet 隊列中的某一個線程，當調用 notifyAll 時喚醒所有的 WaitSet 中的線程嘗試獲取鎖。
• 線程執(zhí)行完釋放了鎖之后，會喚醒 EntryList 中的所有線程嘗試獲取鎖。

以上就是監(jiān)視器的執(zhí)行流程，執(zhí)行流程如下圖所示：

總結

synchronized 同步鎖是通過 JVM 內置的 Monitor 監(jiān)視器實現(xiàn)的，而監(jiān)視器又是依賴操作系統(tǒng)的互斥鎖 Mutex 實現(xiàn)的。JVM 監(jiān)視器的執(zhí)行流程是：線程先通過自旋 CAS 的方式嘗試獲取鎖，如果獲取失敗就進入 EntrySet 集合，如果獲取成功就擁有該鎖。當調用 wait() 方法時，線程釋放鎖并進入 WaitSet 集合，等其他線程調用 notify 或 notifyAll 方法時再嘗試獲取鎖。鎖使用完之后就會通知 EntrySet 集合中的線程，讓它們嘗試獲取鎖。

到此這篇關于Java synchronized底層的實現(xiàn)原理的文章就介紹到這了,更多相關Java synchronized內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！