Synchronize底层实现原理

目录

monitor

对象头

锁的获取与升级

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Synchronized是Java用于保存线程安全的一个关键字，对于它的使用在之前已经描述过，这里不再赘述。这里主要描述它底层的工作原理以及实现流程。

一段被Synchronized关键字修饰的代码进行反编译后，会发现两个指令，分别是monitorenter和monitorexit。这两个指令包裹的临界区代码表示同步。

在了解基本流程前需要了解两个关键点，分别是monitor和对象头

monitor

monitor意为监视器，由ObjectMonitor实现，在Java中每个对象中都包含一个monitor，用于线程的同步，因此Java中的每个对象都可以作为锁使用。该对象中包含两个队列_waitSet，_EntryList以及一个对象_owner。

当多线程访问同一段同步代码时，进入_EntryList中，若某线程获取到monitor使用权，则进入临界区执行。此时monitor处于锁定状态，_owner对象指向该线程，锁的计数器＋1，表示当前线程持有锁，若未获取到，则处于阻塞状态。若当前线程在执行过程中调用了wait()方法，则释放锁，并进入_waitSet集合。若顺利执行结束，则释放锁，则锁的计数器-1，当计数器为0时，表示该锁为可获取状态。

对象头

Java的对象头中存储了两个对象，分别是klass Pointer(类型指针)和Mark word(标记字段)，虾米那分别介绍二者的作用

（1）klass Pointer 是对象指向元数据的指针，JVM虚拟机会通过该指针确定一个对象所属的类

（2）Mark word 用于存储对象自身的运行时数据，例如哈希码，锁的状态标志，线程所持有的锁，因此Mark word是实现轻量级锁和偏向锁的关键。

Mark Word
状态	标志位	存储内容
未锁定	01	哈希码，分代年龄
轻量级锁定	00	指向锁的指针
重量级锁定	10	指向重量级锁的指针
可偏向	01	偏向线程ID

锁的获取与升级

在阐述锁升级的过程前，需要先了解一下四种锁

1.无锁

表示所有线程都可以访问修改锁，但同一时刻，仅有一人成功

2.偏向锁

特点：在但线程执行的情况下，该线程在后续访问时，可以自动获取锁，降低损耗，JVM在对象头中的Mark word字段中设置线程Id表示偏向。

获取流程：

step1:访问Mark word中偏向标志是否为1，若为1，确认可偏向

step2:测试线程Id是否执行当前线程，若是，执行step3

step3：若线程Id为指向，则通过CAS操作竞争锁，竞争成功，修改线程Id，执行临界区资源

step4:失败，说明当前还存在其他线程竞争，即非但线程的情况，升级为轻量级锁

3.轻量级锁

特点：不支持并发，而是多线程串行访问资源，但是每次执行都会重新获取锁，消耗性能

获取流程：

step1:访问临界区代码块时，创建锁记录，即Lock Record对象，用于保存Mark word和对象引用

step2:尝试使用线程的mark word替换锁的mark word

step3：成功，则锁对象中的mark word为Lock Record，执行临界区代码

step4：失败，判断锁对象的mark word是否指向当前线程的栈帧，若是，则说明当前线程拥有锁，直接执行临界区代码，否则有多线程竞争，升级为重量级锁

4.重量级锁

支持并发，同一时间，仅有一个线程可以访问临界区资源，依赖操作系统的互斥锁实现，因此在实现时，需要操作系统做内核态与用户态的接环，资源消耗大。

5.自旋锁

在线程尝试获取锁，但未获取到时，不挂起而是执行一个空循环，以等待锁的释放，再次获取锁，但并不是一直执行空循环，当到达阈值的时候，线程不再等待，该阈值一般为一个上下文的时间。

流程图如下所示：