synchronized底層是如何實(shí)現(xiàn)的？

作者 | 磊哥

來(lái)源 | Java面試真題解析（ID：aimianshi666）

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

監(jiān)視器

監(jiān)視器是一個(gè)概念或者說(shuō)是一個(gè)機(jī)制，它用來(lái)保障在任何時(shí)候，只有一個(gè)線程能夠執(zhí)行指定區(qū)域的代碼。

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

嚴(yán)格意義來(lái)說(shuō)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(shí)現(xiàn)

下面我們?cè)诖a中添加一個(gè) synchronized 代碼塊，來(lái)觀察一下它在字節(jié)碼層面是如何實(shí)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(dāng)我們將上述代碼編譯成字節(jié)碼之后，得到的結(jié)果是這樣的：從上述結(jié)果我們可以看出，在 main 方法中多了一對(duì) monitorenter 和 monitorexit 的指令，它們的含義是：

• monitorenter：表示進(jìn)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(shí)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(wèn)的順序先來(lái)先到的，而是由線程自己競(jìng)爭(zhēng)，隨機(jī)獲取到鎖。可重入鎖指的是，一個(gè)線程獲取到鎖之后，可以重復(fù)得到該鎖。這些內(nèi)容是理解接下來(lái)內(nèi)容的前置知識(shí)。在 HotSpot 虛擬機(jī)中，Monitor 底層是由 C++實(shí)現(xiàn)的，它的實(shí)現(xiàn)對(duì)象是 ObjectMonitor，ObjectMonitor 結(jié)構(gòu)體的實(shí)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(biāo)識(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)
??_WaitSetLock??=?0?;??
??_Responsible??=?NULL?;??
??_succ?????????=?NULL?;??
??_cxq??????????=?NULL?;????//多線程競(jìng)爭(zhēng)鎖進(jìn)入時(shí)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(jié)點(diǎn)，_EntryList是第一個(gè)節(jié)點(diǎn)
??_SpinFreq?????=?0?;??
??_SpinClock????=?0?;??
??OwnerIsThread?=?0?;??
}?

在以上代碼中有幾個(gè)關(guān)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(gè)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(duì)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(duì)列，在多線程下，競(jìng)爭(zhēng)失敗的線程會(huì)進(jìn)入 EntryList 隊(duì)列。
• _WaitSet：WaitSet 待授權(quán)集合，存放的是處于 wait 狀態(tài)的線程隊(duì)列，當(dāng)線程執(zhí)行了 wait() 方法之后，會(huì)進(jìn)入 WaitSet 隊(duì)列。

監(jiān)視器執(zhí)行的流程如下：

1. 線程通過(guò) CAS（對(duì)比并替換）嘗試獲取鎖，如果獲取成功，就將 _owner 字段設(shè)置為當(dāng)前線程，說(shuō)明當(dāng)前線程已經(jīng)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(guò)自旋 CAS 嘗試獲取鎖，如果還是失敗則將當(dāng)前線程放入到 EntryList 監(jiān)控隊(duì)列（阻塞）。
2. 當(dāng)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(fù)為 null 狀態(tài)，同時(shí)將該線程放入 WaitSet 待授權(quán)隊(duì)列中等待被喚醒。
3. 當(dāng)調(diào)用 notify 方法時(shí)，隨機(jī)喚醒 WaitSet 隊(duì)列中的某一個(gè)線程，當(dāng)調(diào)用 notifyAll 時(shí)喚醒所有的 WaitSet 中的線程嘗試獲取鎖。
4. 線程執(zhí)行完釋放了鎖之后，會(huì)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(jié)

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

參考資料

www.cnblogs.com/freelancy/p/15625602.html blog.csdn.net/qq_43783527/article/details/114669174 www.cnblogs.com/hongdada/p/14513036.html