Synchronized是怎么实现的?

简介: Synchronized是怎么实现的?

synchronized是Java中一个很关键的同步实现机制的内置关键字,主要用来加锁,synchonized 所添加的锁有以下几个特点:

  • 互斥性
  • 同一时间点,只有一个线程可以获得锁,获得锁的线程才可以处理被 synchronized 修饰的代码片段。
  • 阻塞性
  • 只有获得锁的线程才可以执行被 synchronized 修饰的代码片段,未获得锁的线程只能阻塞,等待锁释放。
  • 可重入性
  • 如果一个线程已经获得锁,在锁未释放之前,再次请求锁的时候,是必然可以获得锁的

synchronized的用法

synchronized 的使用方法比较简单,主要可以用来修饰方法和代码块。根据其锁定的对象不同,可以用来定义同步方法和同步代码块。

同步方法

//同步方法,对象锁  
public synchronized void doSth(){
    System.out.println("Hello World");
}
 
//同步方法,类锁  
public synchronized static void doSth(){
    System.out.println("Hello World");
}

同步代码块

//同步代码块,类锁
public void doSth1(){
    synchronized (Demo.class){
        System.out.println("Hello World");
    }
}
 
//同步代码块,对象锁
public void doSth1(){
    synchronized (this){
        System.out.println("Hello World");
    }
}

无论是同步方法还是同步代码块,其实现其实都要依赖对象的监视器(Monitor)。那么什么是Monitor呢?

Monitor

为了解决线程安全的问题,Java 提供了同步机制、互斥锁机制,这个机制保证了在同一时刻只有一个线程能访问共享资源。


这个机制的保障来源于监视锁 Monitor,每个对象都拥有自己的监视锁 Monitor。当我们尝试获得对象的锁的时候,其实是对该对象拥有的 Monitor 进行操作。


Monitor 其实是一种同步工具,也可以说是一种同步机制,它通常被描述为一个对象,主要特点是:

对象的所有方法都被“互斥”的执行。好比一个 Monitor 只有一个运行“许可”,任一个线程进入任何一个方法都需要获得这个“许可”,离开时把许可归还。


通常提供 singal 机制:允许正持有“许可”的线程暂时放弃“许可”,等待某个谓词成真(条件变量),而条件成立后,当前进程可以“通知”正在等待这个条件变量的线程,让他可以重新去获得运行许可。

Monitor的代码实现

在 Java 虚拟机(HotSpot)中,Monitor 是基于 C++ 实现的,由 ObjectMonitor 实现的,其主要数据结构如下:

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0;
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;
    _WaitSet      = NULL;
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ;
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
}

以上的属性我们只需要关注几个比较重要的属性即可

_owner:指向持有 ObjectMonitor 对象的线程

_WaitSet:存放处于 wait 状态的线程队列

_EntryList:存放处于等待锁 block 状态的线程队列

_recursions:锁的重入次数

_count:用来记录该线程获取锁的次数

当多个线程同时访问一段同步代码时,首先会进入 _EntryList 队列中,当某个线程获取到对象的 monitor 后进入 _Owner 区域并把 monitor 中的 _owner 变量设置为当前线程,同时 monitor 中的计数器 _count 加1。即获得对象锁。


若持有 monitor 的线程调用 wait() 方法,将释放当前持有的 monitor,_owner 变量恢复为 null,_count 自减 1,同时该线程进入 _WaitSet 集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放 monitor(锁)并复位变量的值,以便其他线程进入获取 monitor(锁)。如下图所示

下面我们来看一下获取锁的实现

void ATTR ObjectMonitor::enter(TRAPS) {
    Thread * const Self = THREAD ;
    void * cur ;
    //通过CAS尝试把monitor的`_owner`字段设置为当前线程
    cur = Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_owner, NULL) ;
    //获取锁失败
    if (cur == NULL) {         
        assert (_recursions == 0   , "invariant") ;
        assert (_owner      == Self, "invariant") ;
        // CONSIDER: set or assert OwnerIsThread == 1
        return ;
    }
    // 如果旧值和当前线程一样,说明当前线程已经持有锁,此次为重入,_recursions自增,并获得锁。
    if (cur == Self) { 
        // TODO-FIXME: check for integer overflow!  BUGID 6557169.
        _recursions ++ ;
        return ;
    }
 
    // 如果当前线程是第一次进入该monitor,设置_recursions为1,_owner为当前线程
    if (Self->is_lock_owned ((address)cur)) { 
        assert (_recursions == 0, "internal state error");
        _recursions = 1 ;
        // Commute owner from a thread-specific on-stack BasicLockObject address to
        // a full-fledged "Thread *".
        _owner = Self ;
        OwnerIsThread = 1 ;
        return ;
    }
 
    // 省略部分代码。
    // 通过自旋执行ObjectMonitor::EnterI方法等待锁的释放
    for (;;) {
        jt->set_suspend_equivalent();
        // cleared by handle_special_suspend_equivalent_condition()
        // or java_suspend_self()
 
        EnterI (THREAD) ;
 
        if (!ExitSuspendEquivalent(jt)) break ;
 
        //
        // We have acquired the contended monitor, but while we were
        // waiting another thread suspended us. We don't want to enter
        // the monitor while suspended because that would surprise the
        // thread that suspended us.
        //
        _recursions = 0 ;
        _succ = NULL ;
        exit (Self) ;
 
        jt->java_suspend_self();
    }
}

释放锁的实现

void ATTR ObjectMonitor::exit(TRAPS) {
   Thread * Self = THREAD ;
   //如果当前线程不是Monitor的所有者
   if (THREAD != _owner) { 
     if (THREAD->is_lock_owned((address) _owner)) { // 
       // Transmute _owner from a BasicLock pointer to a Thread address.
       // We don't need to hold _mutex for this transition.
       // Non-null to Non-null is safe as long as all readers can
       // tolerate either flavor.
       assert (_recursions == 0, "invariant") ;
       _owner = THREAD ;
       _recursions = 0 ;
       OwnerIsThread = 1 ;
     } else {
       // NOTE: we need to handle unbalanced monitor enter/exit
       // in native code by throwing an exception.
       // TODO: Throw an IllegalMonitorStateException ?
       TEVENT (Exit - Throw IMSX) ;
       assert(false, "Non-balanced monitor enter/exit!");
       if (false) {
          THROW(vmSymbols::java_lang_IllegalMonitorStateException());
       }
       return;
     }
   }
    // 如果_recursions次数不为0.自减
   if (_recursions != 0) {
     _recursions--;        // this is simple recursive enter
     TEVENT (Inflated exit - recursive) ;
     return ;
   }
 
   //省略部分代码,根据不同的策略(由QMode指定),从cxq或EntryList中获取头节点,通过ObjectMonitor::ExitEpilog方法唤醒该节点封装的线程,唤醒操作最终由unpark完成。

我们知道了 synchronized 对某个对象进行加锁的时候,会调用该对象拥有的 objectMonitor 的 enter 方法,解锁的时候会调用 exit 方法。

事实上,只有在 JDK1.6 之前,synchronized 的实现才会直接调用 ObjectMonitor 的 enterexit ,这种锁被称之为重量级锁。为什么说这种方式操作锁很重呢?

  • Java 的线程是映射到操作系统原生线程之上的,如果要阻塞或唤醒一个线程就需要操作系统的帮忙,这就要从用户态转换到核心态,因此状态转换需要花费很多的处理器时间,对于代码简单的同步块(如被 Synchronized 修饰的 get 或 set 方法)状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长,所以说 synchronized 是 java 语言中一个重量级的操纵。

所以,在 JDK1.6 中出现对锁进行了很多的优化,进而出现轻量级锁,偏向锁,锁消除,适应性自旋锁,锁粗化(自旋锁在 1.4 就有 只不过默认的是关闭的,JDK1.6 是默认开启的),这些操作都是为了在线程之间更高效的共享数据 ,解决竞争问题。

因此,我们对synchronized的实现可以总结为以下:

synchronized 是 Java 中的一个很重要的关键字,主要用来加锁。synchronized 的使用方法比较简单,主要可以用来修饰方法和代码块。根据其锁定的对象不同,可以用来定义同步方法和同步代码块。


1.方法级的同步是隐式的(同步方法)。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。


2.同步代码块使用 monitorenter 和 monitorexit 两个指令实现。 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。

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