面試突擊39：synchronized底層是如何實現的？

2022 年 4 月 14 日
筆記
Java面試

想了解 synchronized 是如何運行的？就要先搞清楚 synchronized 是如何實現？
synchronized 同步鎖是通過 JVM 內置的 Monitor 監視器實現的，而監視器又是依賴作業系統的互斥鎖 Mutex 實現的，那接下來我們先來了解一下監視器。

監視器

監視器是一個概念或者說是一個機制，它用來保障在任何時候，只有一個執行緒能夠執行指定區域的程式碼。

一個監視器像是一個建築，建築里有一個特殊的房間，這個房間同一時刻只能被一個執行緒所佔有。一個執行緒從進入該房間到離開該房間，可以全程獨佔該房間的所有數據。進入該建築叫做進入監視器（entering the monitor），進入該房間叫做獲得監視器（acquiring the monitor），獨自佔有該房間叫做擁有監視器（owning the monitor），離開該房間叫做釋放監視器（releasing the monitor），離開該建築叫做退出監視器（exiting the monitor）。

嚴格意義來說監視器和鎖的概念是不同的，但很多地方也把二者相互指代。

底層實現

下面我們在程式碼中添加一個 synchronized 程式碼塊，來觀察一下它在位元組碼層面是如何實現的？示例程式碼如下：

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);
    }
}

當我們將上述程式碼編譯成位元組碼之後，得到的結果是這樣的：

從上述結果我們可以看出，在 main 方法中多了一對 monitorenter 和 monitorexit 的指令，它們的含義是：

monitorenter：表示進入監視器。
monitorexit：表示退出監視器。

由此可知 synchronized 是依賴 Monitor 監視器實現的。

執行流程

在 Java 中，synchronized 是非公平鎖，也是可以重入鎖。
所謂的非公平鎖是指，執行緒獲取鎖的順序不是按照訪問的順序先來先到的，而是由執行緒自己競爭，隨機獲取到鎖。
可重入鎖指的是，一個執行緒獲取到鎖之後，可以重複得到該鎖。這些內容是理解接下來內容的前置知識。
在 HotSpot 虛擬機中，Monitor 底層是由 C++實現的，它的實現對象是 ObjectMonitor，ObjectMonitor 結構體的實現如下：

ObjectMonitor::ObjectMonitor() {  
  _header       = NULL;  
  _count       = 0;  
  _waiters      = 0,  
  _recursions   = 0;       //執行緒的重入次數
  _object       = NULL;  
  _owner        = NULL;    //標識擁有該monitor的執行緒
  _WaitSet      = NULL;    //等待執行緒組成的雙向循環鏈表，_WaitSet是第一個節點
  _WaitSetLock  = 0 ;  
  _Responsible  = NULL ;  
  _succ         = NULL ;  
  _cxq          = NULL ;    //多執行緒競爭鎖進入時的單向鏈表
  FreeNext      = NULL ;  
  _EntryList    = NULL ;    //_owner從該雙向循環鏈表中喚醒執行緒結點，_EntryList是第一個節點
  _SpinFreq     = 0 ;  
  _SpinClock    = 0 ;  
  OwnerIsThread = 0 ;  
}

在以上程式碼中有幾個關鍵的屬性：

_count：記錄該執行緒獲取鎖的次數（也就是前前後後，這個執行緒一共獲取此鎖多少次）。
_recursions：鎖的重入次數。
_owner：The Owner 擁有者，是持有該 ObjectMonitor（監視器）對象的執行緒；
_EntryList：EntryList 監控集合，存放的是處於阻塞狀態的執行緒隊列，在多執行緒下，競爭失敗的執行緒會進入 EntryList 隊列。
_WaitSet：WaitSet 待授權集合，存放的是處於 wait 狀態的執行緒隊列，當執行緒執行了 wait() 方法之後，會進入 WaitSet 隊列。

監視器執行的流程如下：

執行緒通過 CAS（對比並替換）嘗試獲取鎖，如果獲取成功，就將 _owner 欄位設置為當前執行緒，說明當前執行緒已經持有鎖，並將 _recursions 重入次數的屬性 +1。如果獲取失敗則先通過自旋 CAS 嘗試獲取鎖，如果還是失敗則將當前執行緒放入到 EntryList 監控隊列（阻塞）。
當擁有鎖的執行緒執行了 wait 方法之後，執行緒釋放鎖，將 owner 變數恢復為 null 狀態，同時將該執行緒放入 WaitSet 待授權隊列中等待被喚醒。
當調用 notify 方法時，隨機喚醒 WaitSet 隊列中的某一個執行緒，當調用 notifyAll 時喚醒所有的 WaitSet 中的執行緒嘗試獲取鎖。
執行緒執行完釋放了鎖之後，會喚醒 EntryList 中的所有執行緒嘗試獲取鎖。

以上就是監視器的執行流程，執行流程如下圖所示：

總結

synchronized 同步鎖是通過 JVM 內置的 Monitor 監視器實現的，而監視器又是依賴作業系統的互斥鎖 Mutex 實現的。JVM 監視器的執行流程是：執行緒先通過自旋 CAS 的方式嘗試獲取鎖，如果獲取失敗就進入 EntrySet 集合，如果獲取成功就擁有該鎖。當調用 wait() 方法時，執行緒釋放鎖並進入 WaitSet 集合，等其他執行緒調用 notify 或 notifyAll 方法時再嘗試獲取鎖。鎖使用完之後就會通知 EntrySet 集合中的執行緒，讓它們嘗試獲取鎖。

參考資料

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

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

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

是非審之於己，毀譽聽之於人，得失安之於數。

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