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Java并发——关键字synchronized解析

在Java中，最简单粗暴的同步手段就是synchronized关键字，其同步的三种用法:

①.同步实例方法，锁是当前实例对象

②.同步类方法，锁是当前类对象

③.同步代码块，锁是括号里面的对象

示例:

public class SynchronizedTest {

    /**
     * 同步实例方法，锁实例对象
     */
    public synchronized void test() {
    }

    /**
     * 同步类方法，锁类对象
     */
    public synchronized static void test1() {
    }

    /**
     * 同步代码块
     */
    public void test2() {
        // 锁类对象
        synchronized (SynchronizedTest.class) {
            // 锁实例对象
            synchronized (this) {

            }
        }
    }
}
复制代码

synchronized实现

javap -verbose查看上述示例:

从图中我们可以看出:

同步方法：方法级同步没有通过字节码指令来控制，它实现在方法调用和返回操作之中。当方法调用时，调用指令会检查方法ACC_SYNCHRONIZED访问标志是否被设置，若设置了则执行线程需要持有管程(Monitor)才能运行方法，当方法完成(无论是否出现异常)时释放管程。

同步代码块：synchronized关键字经过编译后，会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit两个字节码指令，每条monitorenter指令都必须执行其对应的monitorexit指令，为了保证方法异常完成时这两条指令依然能正确执行，编译器会自动产生一个异常处理器，其目的就是用来执行monitorexit指令(图中14-18、24-30为异常流程)。

具体看下monitorexit指令做了什么，在Hotspot源码中全文搜索monitorenter，在ciTypeFlow.cpp中找到如下:

case Bytecodes::_monitorenter:
    {
      pop_object();
      set_monitor_count(monitor_count() + 1);
      break;
    }
  case Bytecodes::_monitorexit:
    {
      pop_object();
      assert(monitor_count() > 0, "must be a monitor to exit from");
      set_monitor_count(monitor_count() - 1);
      break;
    }
    
    void      pop_object() {
      assert(is_reference(type_at_tos()), "must be reference type");
      pop();
    }
    
    void      pop() {
      debug_only(set_type_at_tos(bottom_type()));
      _stack_size--;
    }
    int         monitor_count() const  { return _monitor_count; }
    void    set_monitor_count(int mc)  { _monitor_count = mc; }
复制代码

从源码中我们发现当线程获得该对象锁后，计数器就会加一，释放锁就会将计数器减一。

Monitor

每个对象都拥有自己的监视器，当这个对象由同步块或者这个对象的同步方法调用时，执行方法的线程必须先获取该对象的监视器才能进入同步块和同步方法，如果没有获取到监视器的线程将会被阻塞在同步块和同步方法的入口处，进入到BLOCKED状态，如图:

Monitor是线程私有的数据结构，每个线程都有一个可用monitor record列表，同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个monitor关联(对象头的MarkWord中的LockWord指向monitor的起始地址)，同时monitor中有一个owner字段存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用。其结构如下:

Owner：初始时为NULL表示当前没有任何线程拥有该monitor record，当线程成功拥有该锁后保存线程唯一标识，当锁被释放时又设置为NULL

EntryQ：关联一个系统互斥锁（semaphore），阻塞所有试图锁住monitor record失败的线程

RcThis：表示blocked或waiting在该monitor record上的所有线程的个数

Nest：用来实现重入锁的计数

HashCode：保存从对象头拷贝过来的HashCode值（可能还包含GC age）

Candidate：用来避免不必要的阻塞或等待线程唤醒，因为每一次只有一个线程能够成功拥有锁，如果每次前一个释放锁的线程唤醒所有正在阻塞或等待的线程，会引起不必要的上下文切换（从阻塞到就绪然后因为竞争锁失败又被阻塞）从而导致性能严重下降。Candidate只有两种可能的值0表示没有需要唤醒的线程1表示要唤醒一个继任线程来竞争锁