深入分析synchronized的实现原理

基础概念

　　synchronized可以保证方法或者代码块在运行时，同一时刻只有一个方法可以进入到临界区，同时可以保证共享变量对内存可见性。

　　Java中每一个对象都可以作为锁，这是synchronized实现同步的基础：

1. 普通同步方法，锁是当前实例对象
2. 静态同步方法，锁是当前类的class对象
3. 同步方法块，锁是括号里面的对象

　　当一个线程访问同步代码块时，它首先是需要得到锁才能执行同步代码，当退出或者抛出异常时必须要释放锁。

底层实现

如何来实现这个机制呢？我们先看如下一段简单代码：

public class SynchronizedTest{
    public synchronized void test1(){

    }
    public void test2(){
        synchronized(this){
        }
    }

    public static void main(String []args){
        
    }
}

利用javap工具查看生成的class 文件信息来分析synchronize的实现

　　从上图可以看出，同步代码块是使用monitorenter和monitorexit指令实现的，同步方法（在这看不出来需要看JVM底层实现）依靠的是方法修饰符上的ACC_SYNCHRONIZED实现。

　　在java语言中存在两种内建的synchronized语法：1、synchronized语句；2、synchronized方法。对于synchronized语句当Java源代码被javac编译成bytecode的时候，会在同步块的入口位置和退出位置分别插入monitorenter和monitorexit字节码指令。而synchronized方法则会被翻译成普通的方法调用和返回指令如:invokevirtual、areturn指令，在VM字节码层面并没有任何特别的指令来实现被synchronized修饰的方法，而是在Class文件的方法表中将该方法的access_flags字段中的synchronized标志位置1，表示该方法是同步方法并使用调用该方法的对象或该方法所属的Class在JVM的内部对象表示Klass做为锁对象。

Java synchronized 包含两方面的含义

互斥

JVM 通过对象锁来实现互斥：

typedef struct object {  
    uintptr_t lock;  
    Class *class;  
} Object

协作
协作是通过 Object wait, notify/notifyAll 方法实现的。

对应到JVM 的底层术语，这一机制叫做 monitor:

typedef struct monitor {
    pthread_mutex_t lock;
    Thread *owner;
    Object *obj;
    int count;
    int in_wait;
    uintptr_t entering;
    int wait_count;
    Thread *wait_set;
    struct monitor *next;
} Monitor;

在底层，进行获取 lock 动作到获得 lock 之间有一小段状态叫做 BLOCKED:

void monitorLock(Monitor *mon, Thread *self) {
    if(mon->owner == self)
            mon->count++;
        else {
                if(pthread_mutex_trylock(&mon->lock)) {
                disableSuspend(self);

            self->blocked_mon = mon;
            self->blocked_count++;
            self->state = BLOCKED;

            pthread_mutex_lock(&mon->lock);
        
            self->state = RUNNING;
            self->blocked_mon = NULL;

                    enableSuspend(self);
                }
                mon->owner = self;
        }
}

下面我们来了解两个重要的概念：Java对象头，Monitor。

对象头（Object Header）：

　　在JVM中创建对象时会在对象前面加上两个字大小的对象头，在32位机器上一个字为32bit，根据不同的状态位Mark World中存放不同的内容，如上图所示在轻量级锁中，Mark Word被分成两部分，刚开始时LockWord为被设置为HashCode、最低三位表示LockWord所处的状态，初始状态为001表示无锁状态。Klass ptr指向Class字节码在虚拟机内部的对象表示的地址。Fields表示连续的对象实例字段。

Monitor Record：

　 Monitor Record是线程私有的数据结构，每一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；那么这些monitor record有什么用呢？每一个被锁住的对象都会和一个monitor record关联（对象头中的LockWord指向monitor record的起始地址，由于这个地址是8byte对齐的所以LockWord的最低三位可以用来作为状态位），同时monitor record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。如下图所示为Monitor Record的内部结构：

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。