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在讲解Synchronized的实现原理之前,我们先了解一下Java虚拟机是如何执行线程同步的。

一、Java虚拟机执行线程同步原理

了解Java语言的人都知道,Java代码要想被JVM执行,需要被转换成由字节码组成的class文件。下面来分析下Java虚拟机是如何在字节码层面上执行线程同步的。

1.线程和共享数据

Java编程语言的优点之一是它在语言层面上对多线程的支持。这种支持大部分集中在协调多个线程对共享数据的访问上。JVM的内存结构主要包含以下几个重要的区域:栈、堆、方法区等。

在Java虚拟中,每个线程独享一块栈内存,其中包括局部变量、线程调用的每个方法的参数和返回值。其他线程无法读取到该栈内存块中的数据。栈中的数据仅限于基本类型和对象引用。所以,在JVM中,栈上是无法保存真实的对象的,只能保存对象的引用。真正的对象要保存在堆中。

在JVM中,堆内存是所有线程共享的。堆中只包含对象,没有其他东西。所以,堆上也无法保存基本类型和对象引用。堆和栈分工明确。但是,对象的引用其实也是对象的一部分。这里值得一提的是,数组是保存在堆上面的,即使是基本类型的数据,也是保存在堆中的。因为在Java中,数组是对象。

除了栈和堆,还有一部分数据可能保存在JVM中的方法区中,比如类的静态变量。方法区和栈类似,其中只包含基本类型和对象应用。和栈不同的是,方法区中的静态变量可以被所有线程访问到。

2.对象和类的锁

如前文提到,JVM中有两块内存区域可以被所有线程共享:

堆,上面存放着所有对象 方法区,上面存放着静态变量

那么,如果有多个线程想要同时访问同一个对象或者静态变量,就需要被管控,否则可能出现不可预期的结果。

为了协调多个线程之间的共享数据访问,虚拟机给每个对象和类都分配了一个锁。这个锁就像一个特权,在同一时刻,只有一个线程可以“拥有”这个类或者对象。如果一个线程想要获得某个类或者对象的锁,需要询问虚拟机。当一个线程向虚拟机申请某个类或者对象的锁之后,也许很快或者也许很慢虚拟机可以把锁分配给这个线程,同时这个线程也许永远也无法获得锁。当线程不再需要锁的时候,他再把锁还给虚拟机。这时虚拟机就可以再把锁分配给其他申请锁的线程。

类锁其实通过对象锁实现的。因为当虚拟机加载一个类的时候,会会为这个类实例化一个 java.lang.Class 对象,当你锁住一个类的时候,其实锁住的是其对应的Class 对象。

3.监视器(Monitors)

监视器和锁同时被JVM使用(我理解作者的意思应该是想说锁其实是通过监视器实现的。),监视器主要功能是监控一段代码,确保在同一时间只有一个线程在执行。

每个监视器都与一个对象相关联。当线程执行到监视器监视下的代码块中的第一条指令时,线程必须获取对被引用对象的锁定。在线程获取锁之前,他是无法执行这段代码的,一旦获得锁,线程便可以进入“被保护”的代码开始执行。

当线程离开代码块的时候,无论如何离开,都会释放所关联对象的锁。

4.多次加锁

同一个线程可以对同一个对象进行多次加锁。每个对象维护着一个记录着被锁次数的计数器。未被锁定的对象的该计数器为0,当一个线程获得锁后,该计数器自增变为 1 ,当同一个线程再次获得该对象的锁的时候,计数器再次自增。当同一个线程释放锁的时候,计数器再自减。当计数器为0的时候。锁将被释放,其他线程便可以获得锁。

5.同步

在Java中,当有多个线程都必须要对同一个共享数据进行访问时,有一种协调方式叫做同步。Java语言提供了两种内置方式来使线程同步的访问数据:同步代码块和同步方法。

上面大致了解了Java虚拟机执行线程同步的原理,接下来我们看看Synchronized的实现原理。

二、Synchronized的实现原理

synchronized,是Java中用于解决并发情况下数据同步访问的一个很重要的关键字。当我们想要保证一个共享资源在同一时间只会被一个线程访问到时,我们可以在代码中使用synchronized关键字对类或者对象加锁。那么,本文来介绍一下synchronized关键字的实现原理是什么。

1.反编译

众所周知,在Java中,synchronized有两种使用形式,同步方法和同步代码块。代码如下:

public class SynchronizedTest {

    public synchronized void doSth(){
        System.out.println("Hello World");
    }

    public void doSth1(){
        synchronized (SynchronizedTest.class){
            System.out.println("Hello World");
        }
    }
}

我们先来使用Javap来反编译以上代码,结果如下(部分无用信息过滤掉了):

public synchronized void doSth();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #3                  // String Hello World
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return

  public void doSth1();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: ldc           #5                  // class com/hollis/SynchronizedTest
         2: dup
         3: astore_1
         4: monitorenter
         5: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         8: ldc           #3                  // String Hello World
        10: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        13: aload_1
        14: monitorexit
        15: goto          23
        18: astore_2
        19: aload_1
        20: monitorexit
        21: aload_2
        22: athrow
        23: return  

反编译后,我们可以看到Java编译器为我们生成的字节码。在对于doSthdoSth1的处理上稍有不同。也就是说。JVM对于同步方法和同步代码块的处理方式不同。

对于同步方法,JVM采用ACC_SYNCHRONIZED标记符来实现同步。 对于同步代码块。JVM采用monitorentermonitorexit两个指令来实现同步。

关于这部分内容,在JVM规范中也可以找到相关的描述。

2.同步方法

The Java® Virtual Machine Specification中有关于方法级同步的介绍:

Method-level synchronization is performed implicitly, as part of method invocation and return. A synchronized method is distinguished in the run-time constant pool's methodinfo structure by the ACCSYNCHRONIZED flag, which is checked by the method invocation instructions. When invoking a method for which ACC_SYNCHRONIZED is set, the executing thread enters a monitor, invokes the method itself, and exits the monitor whether the method invocation completes normally or abruptly. During the time the executing thread owns the monitor, no other thread may enter it. If an exception is thrown during invocation of the synchronized method and the synchronized method does not handle the exception, the monitor for the method is automatically exited before the exception is rethrown out of the synchronized method.

主要说的是: 方法级的同步是隐式的。同步方法的常量池中会有一个ACC_SYNCHRONIZED标志。当某个线程要访问某个方法的时候,会检查是否有ACC_SYNCHRONIZED,如果有设置,则需要先获得监视器锁,然后开始执行方法,方法执行之后再释放监视器锁。这时如果其他线程来请求执行方法,会因为无法获得监视器锁而被阻断住。值得注意的是,如果在方法执行过程中,发生了异常,并且方法内部并没有处理该异常,那么在异常被抛到方法外面之前监视器锁会被自动释放。

3.同步代码块

同步代码块使用monitorentermonitorexit两个指令实现。 The Java® Virtual Machine Specification 中有关于这两个指令的介绍:

monitorenter

Each object is associated with a monitor. A monitor is locked if and only if it has an owner. The thread that executes monitorenter attempts to gain ownership of the monitor associated with objectref, as follows: If the entry count of the monitor associated with objectref is zero, the thread enters the monitor and sets its entry count to one. The thread is then the owner of the monitor. If the thread already owns the monitor associated with objectref, it reenters the monitor, incrementing its entry count. If another thread already owns the monitor associated with objectref, the thread blocks until the monitor's entry count is zero, then tries again to gain ownership.

monitorexit

The thread that executes monitorexit must be the owner of the monitor associated with the instance referenced by objectref. The thread decrements the entry count of the monitor associated with objectref. If as a result the value of the entry count is zero, the thread exits the monitor and is no longer its owner. Other threads that are blocking to enter the monitor are allowed to attempt to do so.

大致内容如下: 可以把执行monitorenter指令理解为加锁,执行monitorexit理解为释放锁。 每个对象维护着一个记录着被锁次数的计数器。未被锁定的对象的该计数器为0,当一个线程获得锁(执行monitorenter)后,该计数器自增变为 1 ,当同一个线程再次获得该对象的锁的时候,计数器再次自增。当同一个线程释放锁(执行monitorexit指令)的时候,计数器再自减。当计数器为0的时候。锁将被释放,其他线程便可以获得锁。

总结

同步方法通过ACC_SYNCHRONIZED关键字隐式的对方法进行加锁。当线程要执行的方法被标注上ACC_SYNCHRONIZED时,需要先获得锁才能执行该方法。 同步代码块通过monitorentermonitorexit执行来进行加锁。当线程执行到monitorenter的时候要先获得所锁,才能执行后面的方法。当线程执行到monitorexit的时候则要释放锁。 每个对象自身维护这一个被加锁次数的计数器,当计数器数字为0时表示可以被任意线程获得锁。当计数器不为0时,只有获得锁的线程才能再次获得锁。即可重入锁。

至此,我们大致了解了Synchronized的原理。但是还有几个问题并没有介绍清楚,比如,Monitor到底是什么?对象的锁的状态保存在哪里? 详情请继续关注后续文章。

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原始发表时间:2018-08-28

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