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面试官,别挂电话,Synchronized,我还能说上半小时。

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Synchronized关键字,经常被用于线程同步。执行Synchronized修饰的同步代码块的线程,首先会获得“对象的锁”,如果有其他线程尝试执行同步代码块,会阻塞,直到该线程执行完同步代码,释放“对象锁”。上面的概念,肯定不陌生,但是对象锁具体是什么,或许你不太清楚,本文从其底层原理出发,详细解读Synchronized关键字

Synchronized关键字概念

synchronized是Java中关键字,是利用锁机制来实现同步,锁机制有如下两种特性

  • 互斥性(也叫原子性):同一时刻只允许一个线程获取对象锁

  • 可见性:线程获取对象锁后,会清空线程工作内存中的同步代码块使用到的共享变量

    对象释放锁前,会将线程工作内存中对共享变量的修改刷新回主内存

对象锁与类锁

在Java中,每个对象都会有一个monitor对象,monitor对象其实就是经常说的,对象锁或者称为

监视器锁。而类锁(类似使用Synchronized(Object.class)), 其实是通过对象锁实现,如果熟悉类加载机制,肯定知道,类加载的同时,会在堆中,new一个Class对象。此Class对象的monitor对象就是类锁,由此可知,每个类只有一个类锁

对象头

Java对象在内存中存储的布局可以分为三块区域: 对象头、实例数据、对齐填充。
对象头,分为两个部分,第一个部分存储对象自身的运行时数据,又称为Mark Word,32位虚拟机占32bit,64位虚拟机占64bit。如图所示,不同锁状态下,Mark Word的结构.第二部分存储类指针

对象锁原理(Monitor)

Java虚拟机中,monitor是由ObjectMonitor实现的,主要数据结构如下

 1 ObjectMonitor() {
 2     _header       = NULL;//markOop对象头
 3     _count        = 0;
 4     _waiters      = 0,//等待线程数
 5     _recursions   = 0; //重入次数
 6     _object       = NULL;
 7     _owner        = NULL;//指向获得ObjectMonitor对象的线程
 8     _WaitSet      = NULL;//处于wait状态的线程,会被加入到wait set;
 9     _WaitSetLock  = 0 ;
10     _Responsible  = NULL ;
11     _succ         = NULL ;
12     _cxq          = NULL ;
13     FreeNext      = NULL ;
14     _EntryList    = NULL ;//处于等待锁block状态的线程,会被加入到entry set;
15     _SpinFreq     = 0 ;
16     _SpinClock    = 0 ;
17     OwnerIsThread = 0 ;// _owner is (Thread *) vs SP/BasicLock
18     _previous_owner_tid = 0;// 监视器前一个拥有者线程的ID
19   }

ObjectMonitor主要有几个需要关注的成员变量

  • _owner:指向获得ObjectMonitor对象的线程
  • _EntryList: 处于等待锁block状态的线程,会被加入到entry set
  • _WiatSet: 处于wait状态的线程,会被加入到wait set(调用同步对象wait方法)

多个线程同时访问一段同步代码时,首先会进入_EntryList集合,进行阻塞等待, 当线程获取到对象的monitor后进入owner区域,并把monitor中的_owner变量指向该线程,同时monitor中的计数器count自加一,若线程调用同步对象的wait()方法将释放当前持有的monitor,_owner变量重置为null,count自减一,同时该线程进入_WaitSet中等待唤醒,线程执行完同步代码块后,也将_Ownercount变量重置.

代码块锁解锁过程

public class SyncCodeBlock{
    public int i;
    public void syncTask(){
        synchronized(this) {
            i++;
        }
    }
}

反编译后,得到上述代码的字节码

public void syncTask();
    Code:
       0: aload_0
       1: dup
       2: astore_1
       3: monitorenter
       4: aload_0
       5: dup
       6: getfield      #2                  // Field i:I
       9: iconst_1
      10: iadd
      11: putfield      #2                  // Field i:I
      14: aload_1
      15: monitorexit
      16: goto          24
      19: astore_2
      20: aload_1
      21: monitorexit
      22: aload_2
      23: athrow
      24: return

从字节码中可以看出,Synchronized底层是使用monitorenter,monitorexit指令实现线程同步.

  • 执行monitorenter指令时,线程将尝试获取同步对象的锁(即monitor对象),若monitor的count变量(记录线程进入次数)为0, 则将count设置为1,_owner设置为当前线程,``.取锁成功.如果线程已拥有该对象锁,则可以重入该锁.重入时count计算器的值也会加一

  • 指向monitorexit指令时,执行器将count计数器减一,当计数器为0时,其他线程将有机会持有

    monitor.值得注意的是,编译器会确保无论方法通过何种方式完成,方法中调用过的每条monitorenter指令都会执行相应的monitorexit指令.无论此方法是正常结束还是异常结束.

    如果方法异常完成,编译器会自动产生一个异常处理器,异常处理器的目的就是用来执行monitorexit指令.从字节码中也可以看出多了一个monitorexit指令.它就是异常结束时被执行的释放monitor指令.

方法体加锁解锁过程

public class Main{
    public int i;
    public synchronized void syncTask(){
        i++;
    }
}

反编译上述代码后,得到如下字节码

 public synchronized void syncTask();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: getfield      #2                  // Field i:I
         5: iconst_1
         6: iadd
         7: putfield      #2                  // Field i:I
        10: return

方法体的同步时隐式,即无需字节码指令来控制.JVM可以从方法常量池中的方法表结构(method_info structure)中的ACC_SYNCHRONIZED访问标志来区分一个方法是否同步方法.

当调用方法时,检测方法的ACC_SYNCHRONIZED是否被设置,如果设置了,线程需先持有该对象的monitor,然后执行方法,最后方法完成时释放monitor.

如果一个同步方法执行期间抛出了异常,并且方法内部无法处理此异常,那这个同步方法所持有的monitor将在异常抛到同步方法之外时自动释放.

正文到此结束
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