Synchronized 的實現原理

摘要： 最近在看《Java併發程式設計的藝術》，看到一個常見的面試點 Synchronized實現原理，這塊知識工作中也用不到，但是我們還是有必要了解下這個，畢竟我們professional。 本文主體思路 1.Monitor 2.例項物件的儲存構成 3.偏向鎖、輕量鎖、重量鎖 4...

最近在看《Java併發程式設計的藝術》，看到一個常見的面試點 Synchronized實現原理，這塊知識工作中也用不到，但是我們還是有必要了解下這個，畢竟我們professional。

本文主體思路

1.Monitor

2.例項物件的儲存構成

3.偏向鎖、輕量鎖、重量鎖

4.鎖的膨脹過程

5.鎖的對比

1.Monitor

顧名思義，物件的監視器，只要發生同步操作，執行緒就為當前物件建立一個Monitor物件與之關聯，Monitor只能被一個執行緒持有，此時當前物件就處於鎖定狀態，其它執行緒只能阻塞等待。

Java虛擬機器（HotSpot）中，Monitor是通過ObjectMonitor實現的（c++），裡面有三個重要的屬性

ObjectMonitor() {
_header= NULL;
_count= 0; //記錄個數
_waiters= 0,
_recursions= 0;
_object= NULL;
_owner= NULL;
_WaitSet= NULL; //處於wait狀態的執行緒，會被加入到_WaitSet
_WaitSetLock= 0 ;
_Responsible= NULL ;
_succ= NULL ;
_cxq= NULL ;
FreeNext= NULL ;
_EntryList= NULL ; //處於等待鎖block狀態的執行緒，會被加入到該列表
_SpinFreq= 0 ;
_SpinClock= 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
}

Monitor 有兩個佇列 _WaitSet 和 _EntryList，儲存ObjectWaiter列表(所有等待的執行緒都會被包裝成ObjectWaiter)；① 執行緒申請owner Monitor物件，首先會被加入到 _EntryList ；② 執行緒申請owner Monitor物件，進入到 Owner區域，此時_count +1； ③執行緒呼叫wait方法，釋放鎖，進入到 _WaitSet ，此時_count -1 ④ 執行緒再次申請owner ⑤ 執行緒處理完畢後釋放資源並退出。

Synchronized 鎖的管理就是依託於Monitor，當執行緒owner Monitor的時候則擁有進行同步操作的權利，執行緒進入同步塊呼叫 monitorenter 指令，退出同步塊則呼叫 monitorexit ，釋放對Monitor的持有。

如何獲取鎖也就是如何owner Monitor呢？

2.例項物件構成

物件頭

主要存放 MarkWord，MarkWord裡儲存了物件的hashcode 以及鎖資訊等。除了MarkWord 物件頭裡還存放類的元資訊--Class物件的指標(記憶體地址)。如果陣列的話，還會再儲存下陣列的長度。

例項資料

例項資料部分是物件真正儲存的有效資訊，也是程式程式碼中所定義的各種型別的欄位內容。包括從父類繼承來的，都會記錄下來。

對齊填充

HotSpot要求物件的起止地址(姑且認為是物件大小)必須是8的整數倍，物件頭部分正好是8的倍數，因此當例項資料部分不是8的倍數的話就需要填充了。

3.偏向鎖、輕量鎖、重量鎖

JavaSE1.6為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的效能消耗，引入了偏向鎖、輕量鎖。而鎖的資訊則是在物件頭的MarkWord裡。Mark Word的儲存內容會隨著鎖的變化而變化，下面的表格就是不同的鎖狀態對應的儲存內容。

鎖的變化歸根結底還是執行緒改寫Mark Word的操作。

3.1偏向鎖

HotSpot 作者經過研究發現，大多數情況下，鎖不僅不存在競爭而且總由同一個執行緒獲得，為了讓執行緒獲取鎖的代價更低，引入了偏向鎖。

偏向鎖的獲取

case1

當前是無鎖狀態，是則將自己的執行緒id，寫入到Mark Word，同時 是否是偏向鎖 寫入1，當前執行緒持有該物件的偏向鎖

case2

當前物件已經是偏向鎖，判斷Mark Word裡存的 執行緒id是不是自己的，如果是則繼續持有偏向鎖

case3

當前物件已經是偏向鎖，並且Mark Word裡存的 執行緒id也不是自己的，當前執行緒用過CAS嘗試將Mark Word裡的執行緒id改寫成自己，如果改寫成功則當前執行緒持有偏向鎖

偏向鎖的撤銷

上面case3，如果當前執行緒嘗試改寫Mark Word的執行緒ID為自己，改寫失敗，等待進入全域性安全點的時候，它(個人覺得是JVM)首先暫停原持有偏向鎖的執行緒，然後檢查原持有偏向鎖的執行緒是否處於不活動或者退出同步，是則當前執行緒將自己執行緒id寫入Mark Word，持有偏向鎖。否則當前執行緒將物件標記為輕量級鎖。原持有偏向鎖的執行緒恢復執行，執行完畢退出同步塊並喚醒暫停的執行緒。

關閉偏向鎖配置

java6和7裡預設是開啟偏向鎖的，如果你確定應用程式裡所有的鎖通常是處於競爭狀態，可以通過jvm引數配置關閉偏向鎖

XX:-UseBiasedLocking=false

3.2 輕量鎖

輕量級鎖加鎖

執行緒執行同步塊之前，JVM會先在當前執行緒的棧楨中穿件儲存鎖記錄的空間，並將物件頭的Mark Word 複製到鎖記錄，官方稱 Displaced Mark Word。然後執行緒嘗試將物件頭Mark Word替換為指向鎖記錄的指標也就是Displaced Mark Word的記憶體地址，同時改寫鎖標識為00。如果替換成功則持有偏向鎖。如果失敗則嘗試自旋獲取，自旋有次數限制，超過後則膨脹為重量級鎖。

輕量級鎖解鎖

輕量級解鎖，會通過CAS將 Displaced Mark Word 替換回到物件頭，如果成功則沒有競爭，退出同步塊。失敗則說明存在競爭，膨脹為重量級鎖。

3.3 重量鎖

這個則是最原始的鎖競爭則阻塞，鎖釋放則喚醒

3.4 幾個鎖對應的Mark Word的變化

4.鎖的膨脹過程

物件的鎖會隨著競爭情況逐漸升級，但是不能降級。

前面簡單通過文字描述了下 偏向鎖、輕量鎖、重量鎖的各自操作，不過還是一個完整的流程圖看著更為清晰。

如果還是不理解，強烈建議看下 https://www.jianshu.com/p/afa5296a4832 ，這篇文章通過小故事來形象的解釋。

5.鎖的對比

6.最後

Synchronized實現原理，網上文章一大堆，我也只是作為一個網路知識的搬運工，帶上的自己的理解，產出這篇文章。其實自己也並不是100%的完全能說清楚，不過大致的流程算是知道了。如果碰到哪裡不明白或者覺得哪裡描述的有問題的朋友，歡迎大家留言一起交流。

參考資料

• 《Java併發程式設計的藝術》
• https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483
• https://cloud.tencent.com/developer/article/1036756
• https://www.infoq.cn/article/java-se-16-synchronized
• https://www.jianshu.com/p/afa5296a4832