Java中的Synchronized原理是什麼

原始碼層級剖析Synchronized

#物件結構

Synchronized是Java中的隱式鎖，它的擷取鎖定與釋放鎖定都是隱含的，完全交由JVM幫助我們操作，在了解Synchronized關鍵字之前，首先要學習的知識點就是Java的物件結構，因為Synchronized鎖定就是存放在Java物件中的，Java物件結構如下圖所示：

可以清楚的看到Java物件由三個部分組成，分別是物件頭、實例資料、填充數據，我們的鎖定就存放在物件頭中，接下來我們將對物件結構做一個簡單的解析：

• mark-down：物件標記字段佔8個字節，用於存儲有關鎖的標記位等信息，從圖中可以看出有雜湊值、輕量級鎖的標記位、偏向鎖標記位等。

• Klass Pointer：Class物件的類型指針，它就是指向目前物件屬於哪個Class類的指針，jdk1.8預設開啟壓縮指針後佔用4個位元組，關閉壓縮指針後佔用8個位元組。

• 物件實際資料：這部分內容包含物件的所有成員變量，大小由各個成員變數決定，例如byte佔用1個位元組、int佔用4個位元組等。

• 對其填入：這部分內容只是做到空間補全，就是一個佔位符的作用，因為HotSpot虛擬機的記憶體管理系統要求物件的起始位址必須是8位元組的整數倍，因此如果出現物件實例沒有對齊的話，就需要透過對其填充來補充。

在mark-down鎖定類型標記中，可以看到總共有五種類型，分別是無鎖定、偏向鎖定、輕量級鎖定、重量級鎖定、GC標記，所以如果只是使用2位元標記是無法完全被表示出來的，所以引入了一位偏向鎖標記，也就是說001為無鎖、101為偏向鎖。

Monitor 物件

上面介紹了物件結構，可以看到在Mark-down中會儲存不同的鎖定訊息，當鎖的狀態為重量級鎖（10）時，Mark-down中會存放一個指向Monitor物件的指針，這個Monitor物件也稱為監視器鎖定。

synchronized的運作機制，就是JVM偵測到共享物件存在不同的競爭狀況的時候，會自動切換到適合的鎖定實現，這種切換就是鎖定的升級、降級。 （很多地方都說鎖只能升級，不能降級，其實這種說法是錯誤的，在《Java並發編程的藝術》書中說到，對於偏向鎖來說，它可以進行降級到無鎖狀態，也叫做偏向鎖的撤銷）。

目前有三種不同的Monitor實現，分別是偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖。當一個線程持有一個Monitor時，它就獲得了鎖。

Java中的Monitor是基於C 的ObjectMonitor實現的，它的主要成員包括：

• _owner：指向持有ObjectMonitor物件的執行緒

• #_WaitSet：存放處於wait狀態的執行緒佇列，也就是呼叫wait()方法的執行緒

• _EntryList：存放處於等待鎖定Block狀態的執行緒佇列

• _count：約為_WaitSet _EntryList的節點數總和

• _cxq：多個執行緒爭搶鎖，會先存入這個單向鍊錶

• _recursions：記錄重入次數

• #_object：儲存的Monitor物件

取得Monitor物件的執行緒進入_owner區的時候，_count 1，如果執行緒呼叫了wait()方法，那麼就會釋放Monitor物件（釋放鎖定），_owner恢復為空同時_count-1。此時該執行緒進入_WaitSet佇列中，等待被喚醒。

從上述的描述可以看出，synchronized關鍵字取得鎖的關鍵在於每個物件的物件頭中，這也就能解釋了為什麼synchronized()括號裡存放任何物件都能獲得鎖的特徵。

Synchronized特徵

原子性

原子性，就是說一個操作要麼完成，要麼不完成，不存在完成一半的情況，也就是說這個操作是不可中斷的。

synchronized可以保證在同一時間內只有一個線程拿到鎖，進入到程式碼區塊去執行程式碼，這樣說如果不能理解，那麼就想像下面的一個場景，有一個廁所只有一個坑位，並且廁所還上鎖了，就是為了防止多人一起上廁所的不文明現象，每個人上廁所都必須要去廁所管理員處繳費，繳費後才能拿到鎖再去上廁所，上完廁所再把要是還給廁所管理員，synchronized就是廁所管理員，保證一次只能有一個人拿到鎖，並且每個人用完廁所之後都必須要歸還鑰匙。

接下來看到下面一個同步加上方法：

public static void add() {
    synchronized (Demo.class) {
        counter++;
    }
}

將其進行反編譯後查看程式碼：

javap -v -p Demo

public static void add();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC , ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=0
         0: ldc           #12                 // class
         2: dup
         3: astore_0
         4: monitorenter
         5: getstatic     #10                 // Field counter:I
         8: iconst_1
         9: iadd
        10: putstatic     #10                 // Field counter:I
        13: aload_0
        14: monitorexit
        15: goto          23
        18: astore_1
        19: aload_0
        20: monitorexit
        21: aload_1
        22: athrow
        23: return
      Exception table:

可以看到有兩個指令很明顯和monitor有關：

• monitorenter：在判斷擁有同步識別ACC_SYNCHRONIZED 搶先進入此方法的執行緒會優先擁有Monitor 的owner ，此時計數器1

• #monitorexit：當執行完退出後，計數器-1，歸0 後被其他進入的線程獲得

可見性

可見性指的是當多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變數的值，其他的線程能夠立刻感知，並且能看到修改後的值。線程的可見性與JMM密切相關。在接下來的文章中，我們將探討如何使用volatile關鍵字來實現可見性

而Synchronized擁有可見性，因為它加鎖和釋放鎖都有如下語義：

• 執行緒加鎖前，必須清空工作記憶體中共享變數的值，從而從主記憶體讀取最新的共享變數的值。

• 執行緒釋放鎖定時，必須把共享變數的值刷新到主記憶體中。

• synchronized的可見性依賴作業系統核心互斥鎖實現，相當於JVM中的lock，unlock，退出程式碼區塊時需要刷新共享變數到主記憶體中，這一點和volatile關鍵字不一樣，volatile關鍵字的可見度是依賴記憶體屏障（也叫記憶體柵欄）來實現的。

有序性

as-if-serial，就是確保不管編譯器和處理器為了效能最佳化怎樣進行指令重排序，都需要保證單執行緒下的運行結果的正確性。也就是常說的：如果在本線程內觀察，所有的操作都是有序的，如果在一個線程觀察另一個線程，所有的操作都是無序的。

注意，這裡的有序性和volatile是不一樣的，它並不是volatile的防止指令重新排序。

可重入鎖

可重入鎖的概念很簡單，就是一個執行緒可以多次取得自己所持有的物件鎖，這種鎖就是可重入鎖，同樣的釋放鎖也就需要釋放相同數量的鎖。在synchronized鎖定物件中，有一個計數器用來記錄取得鎖定的次數，即重入次數。

鎖定升級的過程

synchronized 鎖定有四種交替升級的狀態：無鎖定、偏向鎖定、輕量級鎖定和重量級，這幾個狀態隨著競爭情況逐漸升級，後續會補上一張完整的鎖升級圖。

以上是Java中的Synchronized原理是什麼的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！