Java多线程：由浅入深看synchronized的底层实现原理
码农登陆2018-09-20 23:55
前言
前两篇文章，我们聊了聊线程/进程的概念，接着简单串了一下同步的方式方法。今天我们就单拎出来synchronized，好好捋一捋它的前世今生。
正文
小A：咱们前几天铺垫了这么多内容，今天是不是要好好的深挖一下原理的内容了？
MDove：没错，接下来。我会从常见的synchronized加锁方式入手；引出Java对象在内存的布局，以及锁的存放位置；然后看一看锁在C++中的简单实现思路；最后咱们从字节码中，看一下JVM如果识别synchronized。内容不是很难，不会涉及到特别多深奥的内容，大部分是平铺直叙的介绍，很适合阅读呦~
小A：快点开始吧，我等不及啦。
浅聊synchronized的使用
MDove：说起synchronized的底层实现原来，咱们先看看synchronized的俩种加锁方式：
1、某个对象实例内
此作用域内的synchronized锁 ，可以防止多个线程同时访问这个对象的synchronized方法
并且一个对象有多个synchronized方法，只要一个线程访问了其中的一个synchronized方法，其它线程不能同时访问这个对象中任何一个synchronized方法。
此外，不同对象实例的synchronized方法是不相干预的。也就是说，其它线程可以同时访问此类下的另一个对象实例中的synchronized方法；
2、某个类
此作用域下，可以防止多个线程同时访问这个类中的synchronized方法。也就是说此种修饰，可以对此类的所有对象实例起作用。
MDove：注意一点，synchronized关键字是不能继承的，也就是说，基类的方法synchronized fun(){} 在继承类中并不自动是synchronized fun(){}，而是变成了fun(){}。继承时，需要显式的指定它的某个方法为synchronized方法。有机会你可以自己写个demo试一下。
常见错误
MDove：你来看一看下面这个demo，有没有什么问题？
小A：没觉得有问题呐？这不就是第一种加锁的方式，锁实例对象么？
MDove：既然你都知道是锁实例对象，那你没看出来问题么？虽然我们使用synchronized修饰了add()。但是却new了两个不同的实例对象，这也就意味着存在着两个不同的实例对象锁，因此t1和t2都会进入各自的对象锁，也就是说t1和t2线程使用的是不同的锁，因此线程安全是无法保证的。
小A：对对对，没错。那解决这种问题，是不是需要用第二种加锁的方式，锁住这个类？
MDove：没错，解决这种困境的的方式是将synchronized作用于静态的add方法，这样的话，对象锁就当前类，因为类对象只有一个，因此无论new多少个实例对象都是安全的：
小A：那是不是这样改写就可以了？
MDove：没错就是这样，很简单。接下来让我们看一些深入的内容，锁的实现。
synchronized锁的底层实现
MDove：我们都知道，对象被创建在堆中。并且对象在内存中的存储布局方式可以分为3块区域：对象头、实例数据、对齐填充。其中对象头，便是我们今天的主角。
关于实例数据、对齐填充的作用，各位小伙伴可以参考《深入理解Java虚拟机》。
MDove：对于对象头来说，主要是包括俩部分信息：
1、自身运行时的数据，比如：锁状态标志、线程持有的锁…等等。（此部分内容被称之为Mark Word）
今天我们只聊：指向重量级锁的指针
2、另一部分是类型指针：JVM通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。
MDove：今天我们主要聊的是对象头，第一部分中重量级锁的内容。
MDove：先让我们从宏观的角度看一看synchronized锁的实现原理。
synchronized锁的宏观实现
MDove：synchronized的对象锁，其指针指向的是一个monitor对象（由C++实现）的起始地址。每个对象实例都会有一个 monitor。其中monitor可以与对象一起创建、销毁；亦或者当线程试图获取对象锁时自动生成。
monitor是由ObjectMonitor实现（ObjectMonitor.hpp文件，C++实现的），对于我们来说主要关注的是如下代码：
MDove：我们可以看到这里定义了_WaitSet 和 _EntryList俩个队列，其中_WaitSet 用来保存每个等待锁的线程对象。
小A：那_EntryList呢？
MDove：别着急，让我们先看一下_owner，它指向持有ObjectMonitor对象的线程。当多个线程同时访问一段同步代码时，会先存放到 _EntryList 集合中，接下来当线程获取到对象的monitor时，就会把_owner变量设置为当前线程。同时count变量+1。如果线程调用wait() 方法，就会释放当前持有的monitor，那么_owner变量就会被置为null，同时_count减1，并且该线程进入 WaitSet集合中，等待下一次被唤醒。
MDove：当然，若当前线程顺利执行完方法，也将释放monitor，重走一遍刚才的内容，也就是_owner变量就会被置为null，同时_count减1，并且该线程进入 WaitSet集合中，等待下一次被唤醒。
因为这个锁对象存放在对象本身，也就是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因。
synchronized代码块的底层实现
MDove：咱们先写一个简单的demo，然后看一下它们的字节码：
MDove：根据虚拟机规范要求，在执行monitorenter指令时，首先要尝试获取对象锁，也就是上文我们提到了monitor对象。如果这个对象没有被锁定，或者当前线程已经拥有了这个对象的锁，那么就把锁的计数器（_count）加1。当然与之对应执行monitorexit指令时，锁的计数器（_count）也会减1。
MDove：如果当前线程获取锁失败，那么就会被阻塞住，进入_WaitSet 中，等待锁被释放为止。
小A：等等，我看到字节码中，有俩个monitorexit指令，这是为什么呢？
MDove：是这样的，编译器需要确保方法中调用过的每条monitorenter指令都要执行对应的monitorexit 指令。为了保证在方法异常时，monitorenter和monitorexit指令也能正常配对执行，编译器会自动产生一个异常处理器，它的目的就是用来执行 异常的monitorexit指令。而字节码中多出的monitorexit指令，就是异常结束时，被执行用来释放monitor的。
小A：我们刚才看的是同步代码块的原理，那么直接修饰在方法上呢？也是通过这个俩个指令吗？
MDove：你别说，还真不是：
MDove：可以看到：字节码中并没有monitorenter指令和monitorexit指令，取得代之的是ACC_SYNCHRONIZED标识，JVM通过ACC_SYNCHRONIZED标识，就可以知道这是一个需要同步的方法，进而执行上述同步的过程，也就是_count加1，这些过程。
小A：哦，原来是这样。一个是用了指令，一个是用的标识呀~对了，我听说synchronized的性能特别低是这样么？
MDove：这句话不全对，JDK1.5后对synchronized进行了大刀阔斧的优化，这其中涉及到偏向锁、轻量级锁、自旋锁、锁消除等手段。时候也不早了，这些内容今天就不展开了。有机会我们下次再学习吧~
剧终
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