浅析 Kotlin 中的 synchronized

一个会写诗的程序员

发布于 2021-03-18 11:33:24

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代码可运行

首先，在 Java 中 synchronized 是一个关键字，在Kotlin 中是一个函数。这个函数如下：

/*
 * Copyright 2010-2018 JetBrains s.r.o. and Kotlin Programming Language contributors.
 * Use of this source code is governed by the Apache 2.0 license that can be found in the license/LICENSE.txt file.
 */

@file:kotlin.jvm.JvmMultifileClass
@file:kotlin.jvm.JvmName("StandardKt")
package kotlin

import kotlin.contracts.*
import kotlin.jvm.internal.unsafe.*

/**
 * Executes the given function [block] while holding the monitor of the given object [lock].
 */
@kotlin.internal.InlineOnly
public actual inline fun <R> synchronized(lock: Any, block: () -> R): R {
    contract {
        callsInPlace(block, InvocationKind.EXACTLY_ONCE)
    }

    @Suppress("NON_PUBLIC_CALL_FROM_PUBLIC_INLINE", "INVISIBLE_MEMBER")
    monitorEnter(lock)
    try {
        return block()
    }
    finally {
        @Suppress("NON_PUBLIC_CALL_FROM_PUBLIC_INLINE", "INVISIBLE_MEMBER")
        monitorExit(lock)
    }
}

Decompile成字节码：

可以看出：这里边也是有monitorenter和monitorexit的，所以做出推测，不管synchronized是java中的关键字还是kotlin中的函数，最终被编译成的字节码是一样的。

关于：contract{ ... } Kotlin 的契约编程, 参考：https://blog.csdn.net/universsky2015/article/details/99011895

Java synchronized 实现原理

在《深入理解Java虚拟机》一书中，介绍了HotSpot虚拟机中，对象的内存布局分为三个区域：对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐数据(Padding)。而对象头又分为两个部分“Mark Word”和类型指针，其中“Mark Word”包含了线程持有的锁。因此，synchronized锁，也是保存在对象头中。JVM基于进入和退出Monitor对象来实现synchronized方法和代码块的同步，对于方法和代码块的实现细节又有不同：

代码块，使用monitorenter和monitorexit指令来实现；monitorenter指令编译后，插入到同步代码块开始的位置，monitorexit指令插入到方法同步代码块结束位置和异常处，JVM保证每个monitorenter必须有一个monitorexit指令与之对应。线程执行到monitorenter指令处时，会尝试获取对象对应的Monitor对象的所有权 (任何一个对象都有一个Monitor对象预制对应，当一个Monitor被持有后，它将处于锁定状态) 。

方法：在《深入理解Java虚拟机》同步指令一节中，关于方法级的同步描述如下：

方法级的同步是隐式的，即无需通过字节码指令来控制，它实现在方法调用和返回操作之中。JVM可以从方法常量池中的方法表结构(method_info Structure) 中的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志区分一个方法是否同步方法。当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先持有管程，然后再执行方法，最后再方法完成(无论是正常完成还是非正常完成)时释放管程。在方法执行期间，执行线程获取了管程，其他线程就无法获取管程。

synchronized可以保证方法或者代码块在运行时，同一时刻只有一个方法可以进入到临界区，同时它还可以保证共享变量的内存可见性。

Java中每一个对象都可以作为锁，这是synchronized实现同步的基础：

普通同步方法，锁是当前实例对象
静态同步方法，锁是当前类的class对象
同步方法块，锁是括号里面的对象

在HotSpot虚拟机中，对象的内存布局分为三个区域：

对象头（Header）
实例数据（Instance Data）
对齐填充（Padding）

其中，对象头（Header）又分为两部分：

Mark Word
类型指针

synchronized用的锁是存储在Java对象头的Mark Word中的。

下面是Mark Word的存储结构（32位JVM）：

锁状态	25bit	4bit	1bit，是否是偏向锁	2bit，锁标志位
无锁状态	对象的hashCode	对象分代年龄	0	01

在运行期，Mark Word里存储的数据会随着标志位的变化而变化。

存储内容	标志位	状态
指向栈中锁记录的指针	00	轻量级锁
指向互斥量（重量级锁）的指针	10	重量级锁
空，不需要记录信息	11	GC标记
偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄	01	偏向锁

可以看到，Mark Word包含了线程持有的锁。

JVM基于进入和退出Monitor对象来实现sunchronized方法和代码块的同步，两者细节上有差异。

1.1 synchronized代码块

使用monitorenter和monitorexit指令来实现。

minitorenter指令编译后，插入到同步代码块开始的位置，monitorexit指令编译后，插入到同步代码块结束的位置和异常处。JVM保证每个monitorenter必须有一个monitorexit指令与之对应。

每个对象都有一个Monitor对象（监视器锁）与之对应。

monitorenter

当线程执行到monitorenter指令的时候，将会尝试获取Monitor对象的所有权，过程如下：

如果Monitor对象的进入计数器为0，则该线程成功获取Monitor对象的所有权，然后将计数器设置为1。
如果该线程已经拥有了Monitor的所有权，那这次算作是重入，重入也会将计数器的值加1。
如果其他线程已经占有了Monitor对象，那么该线程进入阻塞状态，直到Monitor的计数器的值为0，再重新尝试获取Monitor对象的所有权。

monitorexit

当已经获取Monitor对象所有权的线程执行到monitorexit指令的时候，将会释放Monitor对象的所有权。过程如下：

执行monitorexit指令时，Monitor对象的进入计数器的值减1，如果减1后的值为0，那么这个线程将会释放Monitor对象的所有权，其他被这个Monitor阻塞的线程可以开始尝试去获取这个Monitor对象的所有权。

public class com.fufu.concurrent.SyncCodeBlock {
  public int i;

  public com.fufu.concurrent.SyncCodeBlock();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public void syncTask();
    Code:
       0: aload_0
       1: dup
       2: astore_1
       3: monitorenter                      //注意此处，进入同步方法
       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                       //注意此处，退出同步方法
      16: goto          24
      19: astore_2
      20: aload_1
      21: monitorexit                      //注意此处，退出同步方法
      22: aload_2
      23: athrow
      24: return
    Exception table:
       from    to  target type
           4    16    19   any
          19    22    19   any
}

1.2 synchronized方法

方法级的同步是隐式的，即无需通过字节码指令来控制，它实现在方法调用和返回操作之中。

JVM可以从 方法常量池 中的 方法表结构（method_info Structure）中的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法。

当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先持有管程，然后再执行方法，最后在方法完成（无论是正常完成还是非正常完成）时释放管程。在方法执行期间，执行线程获取了管程，其他线程就无法获取管程。

  //省略没必要的字节码
  //==================syncTask方法======================
  public synchronized void syncTask();
    descriptor: ()V
    //方法标识ACC_PUBLIC代表public修饰，ACC_SYNCHRONIZED指明该方法为同步方法
    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
      LineNumberTable:
        line 12: 0
        line 13: 10

2 synchronized使用规则

参考：https://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3479202.html

下面总结了对象的synchronized基本规则。

规则一：当一个线程访问 “某对象” 的 “synchronized方法” 或者 “synchronized代码块” 时，其他线程对“该对象” 的这个 “synchronized方法” 或者这个 “synchronized代码块” 的访问将被阻塞。
规则二：当一个线程访问 “某对象” 的 “synchronized方法” 或者 “synchronized代码块” 时，其他线程对“该对象” 的其他的 “synchronized方法” 或者其他的 “synchronized代码块” 的访问将被阻塞。
规则三：当一个线程访问 “某对象” 的 “synchronized方法” 或者 “synchronized代码块” 时，其他线程仍然可以访问 “该对象” 的非同步代码块。

2.1 规则一

当一个线程访问 “某对象” 的 “synchronized方法” 或者 “synchronized代码块” 时，其他线程对“该对象” 的这个 “synchronized方法” 或者这个 “synchronized代码块” 的访问将被阻塞。

public class Demo1 {

    public static void main(String[] args) {

        UserRunnable r = new UserRunnable();
        Thread t1 = new Thread(r, "thread-1");
        Thread t2 = new Thread(r, "thread-2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

class UserRunnable implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        synchronized (this) {
            try {
                for (int i = 1; i <= 3; i++) {
                    Thread.sleep(1000);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " loop " + i);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

运行结果：

thread-1 loop 1
thread-1 loop 2
thread-1 loop 3
thread-2 loop 1
thread-2 loop 2
thread-2 loop 3

Process finished with exit code 0

可以看到，线程thread-1获得了r对象的锁，执行同步代码块，线程thread-2只能等待线程thread-1执行完了才能开始执行。

2.2 规则二

当一个线程访问 “某对象” 的 “synchronized方法” 或者 “synchronized代码块” 时，其他线程对“该对象” 的其他的 “synchronized方法” 或者其他的 “synchronized代码块” 的访问将被阻塞。

public class Demo2 {

    public static void main(String[] args) {

        Obj obj = new Obj();
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                obj.methadA();
            }
        }, "thread-1");
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                obj.methadB();
            }
        }, "thread-2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

class Obj {

    public void methadA() {
        synchronized (this) {
            try {
                for (int i = 1; i <= 3; i++) {
                    Thread.sleep(1000);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                                       + " call methodA, loop " + i);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public void methadB() {
        synchronized (this) {
            try {
                for (int i = 1; i <= 3; i++) {
                    Thread.sleep(1000);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                                       + " call methodB, loop " + i);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

运行结果：

thread-1 call methodA, loop 1
thread-1 call methodA, loop 2
thread-1 call methodA, loop 3
thread-2 call methodB, loop 1
thread-2 call methodB, loop 2
thread-2 call methodB, loop 3

Process finished with exit code 0

可以看到，Obj类中的methodA和methodB方法都有一个同步代码块。当线程thread-1调用obj对象的methodA方法的时候，线程thread-2被阻塞了，直到thread-1释放了obj对象的锁，thread-2才开始调用methodB方法。

2.3 规则三

当一个线程访问 “某对象” 的 “synchronized方法” 或者 “synchronized代码块” 时，其他线程仍然可以访问 “该对象” 的非同步代码块。

public class Demo3 {

    public static void main(String[] args) {

        Obj obj = new Obj();
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                obj.methadA();
            }
        }, "thread-1");
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                obj.methadB();
            }
        }, "thread-2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

class Obj {

    public void methadA() {
        synchronized (this) {
            try {
                for (int i = 1; i <= 3; i++) {
                    Thread.sleep(1000);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                                       + " call methodA, loop " + i);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public void methadB() {
        try {
            for (int i = 1; i <= 3; i++) {
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                                   + " call methodB, loop " + i);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果：

thread-1 call methodA, loop 1
thread-2 call methodB, loop 1
thread-1 call methodA, loop 2
thread-2 call methodB, loop 2
thread-1 call methodA, loop 3
thread-2 call methodB, loop 3

Process finished with exit code 0

可以看到，Obj类的methodA方法有同步代码块，而methodB方法没有。当线程thread-1访问methodA方法的时候，线程thread-2可以访问methodB方法，不会阻塞。

3 实例锁和全局锁

实例锁：

锁在某一个实例对象上。如果该类是单例，那么该锁也具有全局锁的概念。
实例锁对应的就是 synchronized关键字。

全局锁：

该锁针对的是类，无论实例多少个对象，线程都共享该锁。
全局锁对应的就是 static synchronized关键字（或者是锁在该类的class或者lassloader对象上）。

例子：

pulbic class Something {
    public synchronized void syncA(){}
    public synchronized void syncB(){}
    public static synchronized void cSyncA(){}
    public static synchronized void cSyncB(){}
}

假设Something有两个实例x和y，结论：

x.syncA()和x.syncB()不能被同时访问。因为使用了同一个对象的实例锁。
x.syncA()和y.syncB()可以被同时访问。因为使用了不同实例对象的实例锁。
x.cSyncA()和y.cSyncB()不能被同时访问。因为他们使用了同一个全局锁，相当于Something类的锁。
x.syncA()和Something.cSyncA()可以被同时访问。因为一个是实例x的锁，一个是类Something的锁，不是同一个锁，互不干扰。

参考资料

https://juejin.cn/post/6844903830644064264 https://blog.csdn.net/hbtj_1216/article/details/77773292 《深入理解Java虚拟机》《Java并发编程艺术》【死磕Java并发】—–深入分析synchronized的实现原理 JVM源码分析之synchronized实现

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