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透彻讲解 Java synchronized 底层实现原理

透彻讲解 Java synchronized 底层实现原理

  • 爱糖宝
  • 2024-07-31
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synchronized 是 Java 中最基本的锁机制,使用它可以实现对共享资源的互斥访问。当一个线程访问被 synchronized 修饰的方法或代码块时,它会自动获取锁,其他线程只能排队等待该线程释放锁。

# 底层实现—监视器

想要了解 synchronized 的底层实现,需要从 synchronized 生成的字节码说起,比如以下程序:

public class App {
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (App.class) {
            System.out.println("Hello World!");
        }
    }}

它的字节码如下:

透彻讲解 Java synchronized 底层实现原理

从上述结果可以看出,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 的底层是通过 Monitor(监视器)实现的。

# 监视器具体实现

在 HotSpot 虚拟机中,监视器 Monitor 底层是由 C++实现的,它的实现对象是 ObjectMonitor。ObjectMonitor 结构体的实现源码如下:

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 ;  }

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。

监视器执行的流程是这样的:

  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: 

透彻讲解 Java synchronized 底层实现原理

# 小结

synchronized 是通过 Monitor 监视器实现的,而监视器又是通过 C++ 代码实现的,它的具体执行流程是: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(监控)集合,如果获取成功就拥有该锁。而拥有锁的线程当调用 wait() 方法时,会释放锁并进入 WaitSet(待授权)集合,直到其他线程调用 notify 或 notifyAll 方法时才会尝试再次获取锁。线程正常执行完成之后,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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