synchronized 锁的底层原理

本文详细解析了线程如何通过monitor机制获取对象锁的过程。包括检查对象是否被锁定、设置线程ID、更新计数器以及等待队列的使用等。同时讨论了依赖底层操作系统的MutexLock实现线程切换时的时间成本问题。

线程A想要获取这个对象,就去找到该对象的monitor, 看看owner是否为空,如果为空说明该对象没有被锁住,并将自己的线程ID设置进去,并count++,如果owner不为空,则将其线程ID放到waitset队列中,线程释放锁时,将owner置为空,并count--;当线程Thread.wait()时候也会将owner置为空,并count--; 这个过程是需要依赖于低层的操作系统的Mutex Lock来实现的,而操作系统实现线程中的切换时,需要用用户态切换到核心态,这是一个非常重的操作,时间成本较高。这也是早期 synchronized 效率低下的原因。

### Java 中 `synchronized` 关键字的底层实现原理 #### 同步代码块的结构 当定义一个同步方法或同步代码块时,实际上是在告诉 JVM 需要对该段代码进行定处理。对于给定的例子: ```java private int i = 0; public void fun(){ synchronized(this){ i++; } } ``` 这段代码表示只有获得当前实例 (`this`) 的之后才能进入并执行 `{}` 大括号内的语句[^1]。 #### 底层编译后的指令变化 在 JVM 层面,每当遇到 `synchronized` 修饰的方法调用或是显式的 `synchronized` 块时,会转换成特定的操作码来控制的行为。具体来说就是通过 `monitorenter` 和 `monitorexit` 操作符来进行加和解操作。每次进入由 `synchronized` 定义的临界区之前都会先执行一次 `monitorenter` 来尝试获取对象上的监视器(即),而一旦退出该区域则自动触发相应的 `monitorexit` 以释放持有的资源[^3]。 #### 的状态变迁与优化策略 JVM 对于有着多种不同的状态管理方式,包括但不限于无、偏向、轻量级以及重量级等形式。这些状态之间的转变取决于实际运行环境中的竞争程度等因素。例如,在没有任何其他线程试图访问相同对象的情况下,默认采用的是偏向模式;而在多线程并发争抢同一把的情形下,则可能升级至更重级别的形式如膨胀为重量级[^5]。 - **无**:最初始状态下,对象头中仅保存一些基本信息而不涉及任何机制。 - **偏向**:允许单一线程长时间持有某个对象的独占使用权,减少不必要的上下文切换开销。 - **轻量级**:适用于短时间内的低冲突场景,利用原子性的 CAS (Compare And Swap) 操作快速完成上过程。 - **重量级**:当上述几种简化版无法满足需求时才会启用的传统 Monitor 实现方案,通常伴随着较高的性能损耗。 综上所述,`synchronized` 是一种基于 JVM 内部监控器机制构建而成的关键字,它能够有效地保障共享数据的一致性和可见性,尽管相比某些高级别的并发工具类而言可能会带来一定的性能损失,但在大多数情况下仍然是简单易用的选择之一。
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