Java中的Synchronized详解

前言：

线程安全是并发编程中的重要关注点，造成线程安全问题的主要原因有两点，一是存在共享数据(也称临界资源)，二是存在多条线程共同操作共享数据。因此为了解决这个问题，我们可能需要这样一个方案，当存在多个线程操作共享数据时，需要保证同一时刻有且只有一个线程在操作共享数据，其他线程必须等到该线程处理完数据后再进行，这种方式叫互斥锁，即能达到互斥访问目的的锁，也就是说当一个共享数据被当前正在访问的线程加上互斥锁后，在同一个时刻，其他线程只能处于等待的状态，直到当前线程处理完毕释放该锁。

一、synchronized锁机制：

1、synchronized 的作用：

synchronized 通过当前线程持有对象锁，从而拥有访问权限，而其他没有持有当前对象锁的线程无法拥有访问权限，保证在同一时刻，只有一个线程可以执行某个方法或者某个代码块，从而保证线程安全。

synchronized 可以保证线程的可见性，synchronized 属于隐式锁，锁的持有与释放都是隐式的，我们无需干预。synchronized最主要的三种应用方式：

• 修饰实例方法：作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁
• 修饰静态方法：作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁
• 修饰代码块：指定加锁对象，进入同步代码库前要获得给定对象的锁

2、synchronized 底层语义原理：

synchronized 锁机制在 Java 虚拟机中的同步是基于进入和退出监视器锁对象 monitor 实现的（无论是显示同步还是隐式同步都是如此）monitor是jvm级别的对象（C++实现），每个对象的对象头都关联着一个 monitor 对象，当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态，在monitor内部有三个属性，分别是owner、entrylist、waitset。

owner：关联的获得锁的线程，并且只能关联一个线程

entrylist：关联的处于阻塞状态的线程

waitset:关联的是处于Waiting状态的线程

如上图代码所示，其中lock是一个对象锁，首先会将lock对象和Monitor进行关联，然后判断Monitor属性中的Owner中是否为null，如果为null则当前线程直接拥有。当线程获取到对象的 monitor 后进入 _Owner 区域并把 _owner 变量设置为当前线程，同时 monitor 中的计数器 count 加1

此时，如果有许多别的线程同时进来，那么就会进入EnreyList阻塞等待。

当占有锁的线程执行完毕后，就会释放锁，此时阻塞状态中的线程就会争抢该锁。若线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的 monitor，count自减1，owner 变量恢复为 null，同时该线程进入 _WaitSet 集合中等待被唤醒。

若当前线程执行完毕也将释放 monitor 并复位变量的值，以便其他线程获取 monitor。

3、 synchronized 的显式同步与隐式同步:

synchronized 分为显式同步（同步代码块）和隐式同步（同步方法），显式同步指的是有明确的 monitorenter 和 monitorexit 指令，而隐式同步并不是由 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现同步的，而是由方法调用指令读取运行时常量池中方法的 ACC_SYNCHRONIZED 标志来隐式实现的。

3.1、synchronized 代码块底层原理：

synchronized 同步语句块的实现是显式同步的，通过 monitorenter 和 monitorexit 指令实现，其中 monitorenter 指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit 指令则指明同步代码块的结束位置，当执行 monitorenter 指令时，当前线程将尝试获取 objectref（即对象锁）所对应的 monitor 的持有权：

• 当对象锁的 monitor 的进入计数器为 0，那线程可以成功取得 monitor，并将计数器值设置为 1，取锁成功。
• 如果当前线程已经拥有对象锁的 monitor 的持有权，那它可以重入这个 monitor，重入时计数器的值也会加1。
• 若其他线程已经拥有对象锁的 monitor 的所有权，那当前线程将被阻塞，直到正在执行线程执行完毕，即monitorexit 指令被执行，执行线程将释放 monitor 并设置计数器值为0，其他线程将有机会持有 monitor。

编译器会确保无论方法通过何种方式完成，无论是正常结束还是异常结束，代码中调用过的每条 monitorenter 指令都有执行其对应 monitorexit 指令。为了保证在方法异常完成时，monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正确配对执行，编译器会自动产生一个异常处理器，这个异常处理器可处理所有的异常，它的目的就是用来执行 monitorexit 指令。

3.2、synchronized 方法底层原理：

synchronized 同步方法的实现是隐式的，无需通过字节码指令来控制，它是在方法调用和返回操作之中实现。JVM 可以通过方法常量池中的方法表结构（method_info Structure）中的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志 判断一个方法是否同步方法。当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，标识该方法是一个同步方法，执行线程将先持有 monitor， 然后再执行方法，最后再方法完成(无论是正常完成还是非正常完成)时释放 monitor。在方法执行期间，执行线程持有了 monitor，其他任何线程都无法再获得同一个 monitor。

如果一个同步方法执行期间抛出了异常，并且在方法内部无法处理此异常，那这个同步方法所持有的 monitor 将在异常抛到同步方法之外时自动释放。