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面试突击 39:synchronized 底层是如何实现的?

作者:王磊
  • 2022 年 4 月 14 日
  • 本文字数:2077 字

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面试突击39:synchronized底层是如何实现的?

想了解 synchronized 是如何运行的?就要先搞清楚 synchronized 是如何实现?synchronized 同步锁是通过 JVM 内置的 Monitor 监视器实现的,而监视器又是依赖操作系统的互斥锁 Mutex 实现的,那接下来我们先来了解一下监视器。

监视器

监视器是一个概念或者说是一个机制,它用来保障在任何时候,只有一个线程能够执行指定区域的代码。


一个监视器像是一个建筑,建筑里有一个特殊的房间,这个房间同一时刻只能被一个线程所占有。一个线程从进入该房间到离开该房间,可以全程独占该房间的所有数据。进入该建筑叫做进入监视器(entering the monitor),进入该房间叫做获得监视器(acquiring the monitor),独自占有该房间叫做拥有监视器(owning the monitor),离开该房间叫做释放监视器(releasing the monitor),离开该建筑叫做退出监视器(exiting the monitor)。


严格意义来说监视器和锁的概念是不同的,但很多地方也把二者相互指代。

底层实现

下面我们在代码中添加一个 synchronized 代码块,来观察一下它在字节码层面是如何实现的?示例代码如下:


public class SynchronizedToMonitorExample {    public static void main(String[] args) {        int count = 0;        synchronized (SynchronizedToMonitorExample.class) {            for (int i = 0; i < 10; i++) {                count++;            }        }        System.out.println(count);    }}
复制代码


当我们将上述代码编译成字节码之后,得到的结果是这样的:



从上述结果我们可以看出,在 main 方法中多了一对 monitorenter 和 monitorexit 的指令,它们的含义是:


  • monitorenter:表示进入监视器。

  • monitorexit:表示退出监视器。


由此可知 synchronized 是依赖 Monitor 监视器实现的。

执行流程

在 Java 中,synchronized 是非公平锁,也是可以重入锁。所谓的非公平锁是指,线程获取锁的顺序不是按照访问的顺序先来先到的,而是由线程自己竞争,随机获取到锁。可重入锁指的是,一个线程获取到锁之后,可以重复得到该锁。这些内容是理解接下来内容的前置知识。在 HotSpot 虚拟机中,Monitor 底层是由 C++实现的,它的实现对象是 ObjectMonitor,ObjectMonitor 结构体的实现如下:


ObjectMonitor::ObjectMonitor() {    _header       = NULL;    _count       = 0;    _waiters      = 0,    _recursions   = 0;       //线程的重入次数  _object       = NULL;    _owner        = NULL;    //标识拥有该monitor的线程  _WaitSet      = NULL;    //等待线程组成的双向循环链表,_WaitSet是第一个节点  _WaitSetLock  = 0 ;    _Responsible  = NULL ;    _succ         = NULL ;    _cxq          = NULL ;    //多线程竞争锁进入时的单向链表  FreeNext      = NULL ;    _EntryList    = NULL ;    //_owner从该双向循环链表中唤醒线程结点,_EntryList是第一个节点  _SpinFreq     = 0 ;    _SpinClock    = 0 ;    OwnerIsThread = 0 ;  } 
复制代码


在以上代码中有几个关键的属性:


  • _count:记录该线程获取锁的次数(也就是前前后后,这个线程一共获取此锁多少次)。

  • _recursions:锁的重入次数。

  • _owner:The Owner 拥有者,是持有该 ObjectMonitor(监视器)对象的线程;

  • _EntryList:EntryList 监控集合,存放的是处于阻塞状态的线程队列,在多线程下,竞争失败的线程会进入 EntryList 队列。

  • _WaitSet:WaitSet 待授权集合,存放的是处于 wait 状态的线程队列,当线程执行了 wait() 方法之后,会进入 WaitSet 队列。


监视器执行的流程如下:


  1. 线程通过 CAS(对比并替换)尝试获取锁,如果获取成功,就将 _owner 字段设置为当前线程,说明当前线程已经持有锁,并将 _recursions 重入次数的属性 +1。如果获取失败则先通过自旋 CAS 尝试获取锁,如果还是失败则将当前线程放入到 EntryList 监控队列(阻塞)。

  2. 当拥有锁的线程执行了 wait 方法之后,线程释放锁,将 owner 变量恢复为 null 状态,同时将该线程放入 WaitSet 待授权队列中等待被唤醒。

  3. 当调用 notify 方法时,随机唤醒 WaitSet 队列中的某一个线程,当调用 notifyAll 时唤醒所有的 WaitSet 中的线程尝试获取锁。

  4. 线程执行完释放了锁之后,会唤醒 EntryList 中的所有线程尝试获取锁。


以上就是监视器的执行流程,执行流程如下图所示:


总结

synchronized 同步锁是通过 JVM 内置的 Monitor 监视器实现的,而监视器又是依赖操作系统的互斥锁 Mutex 实现的。JVM 监视器的执行流程是:线程先通过自旋 CAS 的方式尝试获取锁,如果获取失败就进入 EntrySet 集合,如果获取成功就拥有该锁。当调用 wait() 方法时,线程释放锁并进入 WaitSet 集合,等其他线程调用 notify 或 notifyAll 方法时再尝试获取锁。锁使用完之后就会通知 EntrySet 集合中的线程,让它们尝试获取锁。

参考资料

www.cnblogs.com/freelancy/p/15625602.html


blog.csdn.net/qq_43783527/article/details/114669174


www.cnblogs.com/hongdada/p/14513036.html


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