Java synchronized底层的实现原理

前言：

想了解 synchronized 是如何运行的？就要先搞清楚 synchronized 是如何实现？ synchronized 同步锁是通过 JVM 内置的 Monitor 监视器实现的，而监视器又是依赖操作系统的互斥锁 Mutex 实现的，那接下来我们先来了解一下监视器。

监视器

监视器是一个概念或者说是一个机制，它用来保障在任何时候，只有一个线程能够执行指定区域的代码。

一个监视器像是一个建筑，建筑里有一个特殊的房间，这个房间同一时刻只能被一个线程所占有。一个线程从进入该房间到离开该房间，可以全程独占该房间的所有数据。进入该建筑叫做进入监视器（entering the monitor），进入该房间叫做获得监视器（acquiring the monitor），独自占有该房间叫做拥有监视器（owning the monitor），离开该房间叫做释放监视器（releasing the monitor），离开该建筑叫做退出监视器（exiting the monitor）。

严格意义来说监视器和锁的概念是不同的，但很多地方也把二者相互指代。

底层实现

下面我们在代码中添加一个 synchronized 代码块，来观察一下它在字节码层面是如何实现的？

示例代码如下：

public class SynchronizedToMonitorExample {
    public static void main(String[] args) {
        int count = 0;
        synchronized (SynchronizedToMonitorExample.class) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                count++;
            }
        }
        System.out.println(count);
    }
}

当我们将上述代码编译成字节码之后，得到的结果是这样的： 

 从上述结果我们可以看出，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 是依赖 Monitor 监视器实现的。

执行流程

在 Java 中，synchronized 是非公平锁，也是可以重入锁。 所谓的非公平锁是指，线程获取锁的顺序不是按照访问的顺序先来先到的，而是由线程自己竞争，随机获取到锁。 可重入锁指的是，一个线程获取到锁之后，可以重复得到该锁。这些内容是理解接下来内容的前置知识。 在 HotSpot 虚拟机中，Monitor 底层是由 C++实现的，它的实现对象是 ObjectMonitor，ObjectMonitor 结构体的实现如下：

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。

监视器执行的流程如下：

• 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）。
• 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。
• 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。
• 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：

总结

synchronized 同步锁是通过 JVM 内置的 Monitor 监视器实现的，而监视器又是依赖操作系统的互斥锁 Mutex 实现的。JVM 监视器的执行流程是：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 集合，如果获取成功就拥有该锁。当调用 wait() 方法时，线程释放锁并进入 WaitSet 集合，等其他线程调用 notify 或 notifyAll 方法时再尝试获取锁。锁使用完之后就会通知 EntrySet 集合中的线程，让它们尝试获取锁。