獲取和釋放 monitor 鎖的時機

本文我們研究下 synchronized 背后的 monitor 鎖。

我們都知道，最簡單的同步方式就是利用 synchronized 關(guān)鍵字來修飾代碼塊或者修飾一個方法，那么這部分被保護的代碼，在同一時刻就最多只有一個線程可以運行，而 synchronized 的背后正是利用 monitor 鎖實現(xiàn)的。所以首先我們來看下獲取和釋放 monitor 鎖的時機，每個 Java 對象都可以用作一個實現(xiàn)同步的鎖，這個鎖也被稱為內(nèi)置鎖或 monitor 鎖，獲得 monitor 鎖的唯一途徑就是進入由這個鎖保護的同步代碼塊或同步方法，線程在進入被 synchronized 保護的代碼塊之前，會自動獲取鎖，并且無論是正常路徑退出，還是通過拋出異常退出，在退出的時候都會自動釋放鎖。

我們首先來看一個 synchronized 修飾方法的代碼的例子：

public synchronized void method() {
    method body
}

我們看到 method() 方法是被 synchronized 修飾的，為了方便理解其背后的原理，我們把上面這段代碼改寫為下面這種等價形式的偽代碼。

public void method() {
    this.intrinsicLock.lock();
    try{
        method body
    }
    finally {
        this.intrinsicLock.unlock();
    }
}

在這種寫法中，進入 method 方法后，立刻添加內(nèi)置鎖，并且用 try 代碼塊把方法保護起來，最后用 finally 釋放這把鎖，這里的 intrinsicLock 就是 monitor 鎖。經(jīng)過這樣的偽代碼展開之后，相信你對 synchronized 的理解就更加清晰了。

用 javap 命令查看反匯編的結(jié)果

JVM 實現(xiàn) synchronized 方法和 synchronized 代碼塊的細(xì)節(jié)是不一樣的，下面我們就分別來看一下兩者的實現(xiàn)。

同步代碼塊

首先我們來看下同步代碼塊的實現(xiàn)，如代碼所示。

public class SynTest {
    public void synBlock() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("lagou");
        }
    }
}

在 SynTest 類中的 synBlock 方法，包含一個同步代碼塊，synchronized 代碼塊中有一行代碼打印了 lagou 字符串，下面我們來通過命令看下 synchronized 關(guān)鍵字到底做了什么事情：首先用 cd 命令切換到 SynTest.java 類所在的路徑，然后執(zhí)行 javac SynTest.java，于是就會產(chǎn)生一個名為 SynTest.class 的字節(jié)碼文件，然后我們執(zhí)行 javap -verbose SynTest.class，就可以看到對應(yīng)的反匯編內(nèi)容。

關(guān)鍵信息如下：

  public void synBlock();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter
         4: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         7: ldc           #3                      // String lagou
         9: invokevirtual #4               // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        12: aload_1
        13: monitorexit
        14: goto          22
        17: astore_2
        18: aload_1
        19: monitorexit
        20: aload_2
        21: athrow
        22: return

從里面可以看出，synchronized 代碼塊實際上多了 monitorenter 和 monitorexit 指令，標(biāo)紅的第3、13、19行指令分別對應(yīng)的是 monitorenter 和 monitorexit。這里有一個 monitorenter，卻有兩個 monitorexit 指令的原因是，JVM 要保證每個 monitorenter 必須有與之對應(yīng)的 monitorexit，monitorenter 指令被插入到同步代碼塊的開始位置，而 monitorexit 需要插入到方法正常結(jié)束處和異常處兩個地方，這樣就可以保證拋異常的情況下也能釋放鎖

可以把執(zhí)行 monitorenter 理解為加鎖，執(zhí)行 monitorexit 理解為釋放鎖，每個對象維護著一個記錄著被鎖次數(shù)的計數(shù)器。未被鎖定的對象的該計數(shù)器為 0，我們來具體看一下 monitorenter 和 monitorexit 的含義：

• monitorenter

執(zhí)行 monitorenter 的線程嘗試獲得 monitor 的所有權(quán)，會發(fā)生以下這三種情況之一：

a. 如果該 monitor 的計數(shù)為 0，則線程獲得該 monitor 并將其計數(shù)設(shè)置為 1。然后，該線程就是這個 monitor 的所有者。

b. 如果線程已經(jīng)擁有了這個 monitor ，則它將重新進入，并且累加計數(shù)。

c. 如果其他線程已經(jīng)擁有了這個 monitor，那個這個線程就會被阻塞，直到這個 monitor 的計數(shù)變成為 0，代表這個 monitor 已經(jīng)被釋放了，于是當(dāng)前這個線程就會再次嘗試獲取這個 monitor。

• monitorexit monitorexit 的作用是將 monitor 的計數(shù)器減 1，直到減為 0 為止。代表這個 monitor 已經(jīng)被釋放了，已經(jīng)沒有任何線程擁有它了，也就代表著解鎖，所以，其他正在等待這個 monitor 的線程，此時便可以再次嘗試獲取這個 monitor 的所有權(quán)。

同步方法

從上面可以看出，同步代碼塊是使用 monitorenter 和 monitorexit 指令實現(xiàn)的。而對于 synchronized 方法，并不是依靠 monitorenter 和 monitorexit 指令實現(xiàn)的，被 javap 反匯編后可以看到，synchronized 方法和普通方法大部分是一樣的，不同在于，這個方法會有一個叫作 ACC_SYNCHRONIZED 的 flag 修飾符，來表明它是同步方法。

同步方法的代碼如下所示。

public synchronized void synMethod() {
}

對應(yīng)的反匯編指令如下所示。

  public synchronized void synMethod();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=0, locals=1, args_size=1
         0: return
      LineNumberTable:
        line 16: 0

可以看出，被 synchronized 修飾的方法會有一個 ACC_SYNCHRONIZED 標(biāo)志。當(dāng)某個線程要訪問某個方法的時候，會首先檢查方法是否有 ACC_SYNCHRONIZED 標(biāo)志，如果有則需要先獲得 monitor 鎖，然后才能開始執(zhí)行方法，方法執(zhí)行之后再釋放 monitor 鎖。其他方面， synchronized 方法和剛才的 synchronized 代碼塊是很類似的，例如這時如果其他線程來請求執(zhí)行方法，也會因為無法獲得 monitor 鎖而被阻塞。

好了，本文的內(nèi)容就全部講完了，我們講解了獲取和釋放 monitor 的時機，以及被 synchronized 修飾的等價代碼，然后我們還利用 javac 和 javap 命令查看了 synchronized 代碼塊以及 synchronized 方法所對應(yīng)的的反匯編指令，其中同步代碼塊是利用 monitorenter 和 monitorexit 指令實現(xiàn)的，而同步方法則是利用 flags 實現(xiàn)的。

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