Synchronized底层如何实现

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Synchronized关键字

synchronized俗称对象锁，它采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能够持有对象锁，其他线程再想获取这个对象锁就会阻塞住，这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换

synchronized 实际是用对象锁保证了临界区内代码的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切
换所打断

Synchronized有三种使用方法：

1. 修饰实例方法，作用相当于当前对象实例加锁，进入同步代码前要获得当前对象实例的锁。
2. 修饰静态方法，相当于在当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象实例的锁。
3. 修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码库的时候要获得给定对象的锁。
   

synchronized关键字的实现

synchronized不论是修饰代码块还是修饰方法都是通过持有对象锁来实现同步的。而这个对象的markword就指向了一个Monitor（锁/监视器）

1、java对象头的markword结构：

对象大致可以分为三个部分，分别是对象头，实例变量和填充字节，对象头分成两个部分：mark word和 klass word

锁的类型和状态在对象头Mark Word中都有记录。在申请锁、锁升级等过程中JVM都需要读取对象的Mark Word数据。对于重量级锁对象的markword包含两个部分：指向重量级锁的指针和标志位

由此看来，monitor锁对象地址存在于每个Java对象的对象头中

2、Monitor结构：

每一个锁都对应一个monitor对象，在HotSpot虚拟机中它是由ObjectMonitor实现的（C++实现）

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; //记录个数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;
    _WaitSet      = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
}

3、synchronized底层原理 = java对象头markword + 操作系统对象monitor：

每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针

1. ​ synchronized无论是加在同步代码块还是方法上，效果都是加在对象上，其原理都是对一个对象上锁
2. ​ 如何给这个obj上锁呢？当一个线程Thread-1要执行临界区的代码时，首先会通过obj对象的markword指向一个monitor锁对象
3. ​ 当Thread-1线程持有monitor对象后，就会把monitor中的owner变量设置为当前线程Thread-1，同时计数器count+1表示当前对象锁被一个线程获取。
4. ​ 当另一个线程Thread-2想要执行临界区的代码时，要判断monitor对象的属性Owner是否为null，如果为null，Thread-2线程就持有了对象锁可以执行临界区的代码，如果不为null，Thread-2线程就会放入monitor的EntryList阻塞队列中，处于阻塞状态Blocked。
5. ​ 当Thread-0将临界区的代码执行完毕，将释放monitor(锁)并将owner变量置为null，同时计算器count-1，并通知EntryList阻塞队列中的线程，唤醒里面的线程

Synchronized 上锁原理

实现原理： JVM 是通过进入、退出 对象监视器(Monitor) 来实现对方法、同步块的同步的，而对象监视器的本质依赖于底层操作系统的 互斥锁(Mutex Lock) 实现。

具体实现是在编译之后在同步方法调用前加入一个monitor.enter指令，在退出方法和异常处插入monitor.exit的指令。

对于没有获取到锁的线程将会阻塞到方法入口处，直到获取锁的线程monitor.exit之后才能尝试继续获取锁。

流程图如下：

monitorenter 指令：

​ 每个对象有一个监视器锁（monitor）。当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权，过程如下：

​ 如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者

​ 如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1.（可重入锁的原因）

​ 如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权。

monitorexit指令：

​ 执行monitorexit的线程必须是持有obj锁对象的线程

​ 指令执行时，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程释放monitor，不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。

​ Synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来完成，其实wait/notify等方法也依赖于monitor对象，这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法，否则会抛出IllegalMonitorStateException的异常的原因。

使用javap -c Synchronize可以查看编译之后的具体信息。

可以看到在同步块的入口和出口分别有monitorenter和monitorexit指令。当执行monitorenter指令时，线程试图获取锁也就是获取monitor（monitor对象存在于每个Java对象的对象头中，synchronized锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因）的持有权。当计数器为0则可以成功获取，获取后将锁计数器设为1也就是加1。相应的在执行monitorexit指令后，将锁计数器设为0，表明锁被释放。如果获取对象锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到锁被另外一个线程释放为止。