面試突擊：Synchronized底層是如何實現(xiàn)的？
作者 | 磊哥
來源 | Java面試真題解析(ID：aimianshi666)
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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(nèi)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(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 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(nèi)容是理解接下來內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)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(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(quán)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(shè)置為當前線程，說明當前線程已經(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(quán)隊列中等待被喚醒。
- 當調(diào)用 notify 方法時，隨機喚醒 WaitSet 隊列中的某一個線程，當調(diào)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(jié)
synchronized 同步鎖是通過 JVM 內(nèi)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(diào)用 wait() 方法時，線程釋放鎖并進入 WaitSet 集合，等其他線程調(diào)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。
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。
