【多線程】synchronized底層實現的方式

前言

在java 開發中對于鎖的應用非常的常見，如果對于什么時候該用什么鎖，以及鎖實現的原理有所不知道的，或者面試過程中面試官問你不知道怎么回答的，歡迎來看下面的文章

1、synchronized和ReentrantLock的區別

在這里插入圖片描述

2、synchronized的一些特性和底層原理的實現

2.1 synchronized 的鎖升級過程

在 JVM 中，鎖升級是不可逆的，即一旦鎖被升級為下一個級別的鎖，就無法再降級。

首先默認的無鎖狀態，當我們加鎖以后，可能并沒有多個線程去競爭鎖，此時我們可以默認為只有一個線程要獲取鎖，即偏向鎖，當鎖轉為偏向鎖以后，被偏向的線程在獲取鎖的時候就不需要競爭，可以直接執行。

當確實存在少量線程競爭鎖的情況時，偏向鎖顯然不能再繼續使用了，但是如果直接調用重量級鎖在輕量鎖競爭的情況下并不劃算，因為競爭壓力不大，所以往往需要頻繁的阻塞和喚醒線程，這個過程需要調用操作系統的函數去切換 CPU 狀態從用戶態轉為核心態。因此，可以直接令等待的線程自旋，避免頻繁的阻塞喚醒 ,此時升級為輕量級鎖。

當競爭加大時，線程往往要等待比較長的時間才能獲得鎖，此時在等待期間保持自旋會白白占用 CPU 時間，此時就需要升級為重量級鎖，即 Monitor 鎖，JVM 通過指令調用操作系統函數阻塞和喚醒線程。

2.2 synchronized的鎖優化

2.2.1 自適應自旋鎖

自旋鎖依賴于 CAS，我們可以手動的設置 JVM 的自旋鎖自旋次數，但是往往很難確定適當的自旋次數，如果自旋次數太少，那么可能會引起不必要的鎖升級，而自旋次數太長，又會影響性能。在 JDK6 中，引入了自適應自旋鎖的機制，對于同一把鎖，當線程通過自旋獲取鎖成功了，那么下一次自旋次數就會增加，而相反，如果自旋鎖獲取失敗了，那么下一次在獲取鎖的時候就會減少自旋次數。

2.2.2 鎖消除

在一些方法中，有些加鎖的代碼實際上是永遠不會出現鎖競爭的，比如 Vector 和 Hashtable 等類的方法都使用 synchronized 修飾，但是實際上在單線程程序中調用方法，JVM 會檢查是否存在可能的鎖競爭，如果不存在，會自動消除代碼中的加鎖操作。

2.2.3 鎖粗化

我們常說，鎖的粒度往往越細越好，但是一些不恰當的范圍可能反而引起更頻繁的加鎖解鎖操作，比如在迭代中加鎖，JVM 會檢測同一個對象是否在同一段代碼中被頻繁加鎖解鎖，從而主動擴大鎖范圍，避免這種情況的發生。

2.3 synchronized的底層原理的實現

synchronized 意為同步，它可以用于修飾靜態方法，實例方法，或者一段代碼塊。其中修飾代碼塊和方法有一點不同
它是一種可重入的對象鎖。當修飾靜態方法時，鎖對象為類；當修飾實例方法時，鎖對象為實例；當修飾代碼塊時，鎖可以是任何非 null 的對象。由于其底層的實現機制，synchronized 的鎖又稱為監視器鎖。

同步代碼塊

    public void synchronizedMethod3() {synchronized(this) {System.out.println("synchronizedMethod3");}}

反編譯之后：
在這里插入圖片描述

monitorenter      // 嘗試獲取對象鎖  
...  
monitorexit       // 正常退出同步塊（偏移量 15）  
goto 23  
monitorexit       // 異常退出同步塊（偏移量 21）  
athrow

這里的 monitorenter 與 monitorexit 即是線程獲取 synchronized 鎖的過程。

當線程試圖獲取對象鎖的時候，根據 monitorenter 指令：

如果 Monitor 的進入數為0，則該線程進入monitor，然后將進入數設置為1，該線程即為 Monitor 的所有者；
如果線程已經占有該 monitor，只是重新進入，則進入 Monitor 的進入數加1（可重入）；如果其他線程已經占用了
monitor，則該線程進入阻塞狀態，直到 Monitor 的進入數為0，再重新嘗試獲取 Monitor 的所有權；當線程執行完以后，根據
monitorexit 指令：

當執行 monitorexit 指令后，Monitor 的進入數 -1；如果 – 1 后 Monitor 進入數為 0，則該線程不再擁有這個鎖，退出 monitor；如果 – 1 后 Monitor 進入數仍不為0，則線程繼續持有這個鎖，重復上述過程直到使用完畢。

特點：

顯式生成 monitorenter 和 monitorexit 指令進行獲取鎖和釋放鎖
異常表中注冊兩個退出路徑，確保鎖必然釋放

同步方法

public synchronized void syncMethod() {  System.out.println("同步方法");  
}

關鍵字節碼：flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED

通過 ACC_SYNCHRONIZED 標志隱式實現鎖機制是 Java 中 synchronized 關鍵字的核心實現原理。在 Java
虛擬機（JVM）中，synchronized 關鍵字修飾的方法或代碼塊會通過在方法的 access_flags 字段中添加
ACC_SYNCHRONIZED 標志來標識該方法為同步方法。這個標志告訴 JVM，該方法需要進行同步操作。

同步機制的隱式實現當一個方法被標記為 ACC_SYNCHRONIZED 時，JVM 在方法調用時會隱式地執行加鎖和解鎖操作。具體來說：

加鎖：在方法執行前，線程需要獲取與該方法相關的監視器鎖（monitor）。如果鎖已被其他線程持有，則當前線程會被阻塞，直到鎖被釋放。
解鎖：當方法正常完成或拋出異常時，鎖會被自動釋放。這確保了方法的原子性和可見性。

特點：

通過 ACC_SYNCHRONIZED 標志隱式實現鎖機制
JVM 在方法調用和返回時自動插入鎖操作

實現原理

synchronized 是對象鎖，在 JDK6 引入鎖升級機制后，synchronized 的鎖實際上分為了偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖三種，這三者都依賴于對象頭中 MarkWord 的數據的改變。

對象

每個 Java 對象在內存中分為對象頭（Header）、實例數據（Instance Data）和對齊填充（Padding）
在這里插入圖片描述
對象頭是實現鎖的核心區域，其結構如下

![在這里插入圖片描述](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/758316d58cc84158bcca7804c211126d.png

其中markWord的樣子如下：
在這里插入圖片描述

2.3 重量級鎖與監視器

synchronized 的對象鎖是基于監視器對象 Monitor 實現的，而根據上文，我們知道鎖信息存儲于對象自己的 MarkWord 中，那么 Monitor 和對象又是什么關系呢？

實際上，在對象在創建之初就會在 MarkWord 中關聯一個 Monitor 對象，當鎖升級到重量級鎖時，markWord存儲指向 Monitor 對象的指針。

Monitor 對象在 JVM 中基于 ObjectMonitor 實現，代碼如下：

ObjectMonitor() {_header       = NULL;_count        = 0; // 持有鎖次數_waiters      = 0,_recursions   = 0;_object       = NULL;_owner        = NULL; // 當前持有鎖的線程_WaitSet      = NULL; // 等待隊列，處于wait狀態的線程，會被加入到_WaitSet_WaitSetLock  = 0 ;_Responsible  = NULL ;_succ         = NULL ;_cxq          = NULL ;FreeNext      = NULL ;_EntryList    = NULL ; // 阻塞隊列，處于等待鎖block狀態的線程，會被加入到該列表_SpinFreq     = 0 ;_SpinClock    = 0 ;OwnerIsThread = 0 ;
}

ObjectMonitor 中有兩個隊列，_WaitSet 和 _EntryList，用來保存 ObjectWaiter 對象列表（每個等待鎖的線程都會被封裝成 ObjectWaiter 對象），_owner 指向持有 ObjectMonitor 對象的線程，當多個線程同時訪問一段同步代碼時：
首先會進入 _EntryList 集合，當線程獲取到對象的 Monitor 后，進入 _Owner 區域并把 monitor 中的 owner 變量設置為當前線程，同時 monitor中的計數器 count 加1；
若線程調用 wait() 方法，將釋放當前持有的 monitor，owner 變量恢復為 null，count 自減1，同時該線程進入 WaitSet集合中等待被喚醒；
若當前線程執行完畢，也將釋放 Monitor 并復位 count 的值，以便其他線程進入獲取 Monitor；
這也解釋了為什么 notify() 、notifyAll()和wait() 方法會要求在同步塊中使用，因為這三個方法都需要獲取 Monitor 對象，而要獲取 Monitor，就必須使用 monitorenter指令。

2.4 synchronized線程調用時的阻塞場景


public class Example {public synchronized void methodA() { ... }public synchronized void methodB() { ... }
}

/線程1調用obj.methodA()，線程2調用obj.methodB() → 線程2阻塞，直到methodA釋放鎖
所以再用的時候盡可能的縮小鎖的范圍，代碼塊加鎖

總結

每個對象在內存中分為三個部分示例數據（存放類信息）、對象頭和對齊填充，其中對象頭有個重要的組成部分markWord，markWord中存儲一些鎖相關的引用，通過markWord中的鎖標志位，我們可以清楚的知道鎖的級別，是重量級鎖，還是輕量級鎖，還是偏向鎖，當是重量級鎖的時候，markWord中存儲了對監視器Monitor 對象的引用，synchronized 的對象鎖是基于監視器對象 Monitor 實現的，在對象在創建之初就會在 MarkWord 中關聯一個 Monitor 對象，當鎖升級到重量級鎖時，markWord存儲指向 Monitor 對象的指針。而要獲取 Monitor，就必須使用 monitorenter指令，可重入的表現是，Monitor里面有一個count，一次monitorenter后count 加1,一次monitorExit 后count減1

參考文章：https://cloud.tencent.com/developer/article/2120268?pos=comment