Java并发编程深入理解之Synchronized的使用及底层原理详解 上

• • 2、object monitor(监视器锁)机制

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。

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

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：

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)。

下节将会介绍一下synchronized的锁优化和锁升级过程

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