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Java并发编程之Synchronized关键字解析

此文章已同步更新至我的个人博客simonting.gitee.io

Synchronized的应用

synchronized关键字最主要有以下3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,对给定对象加锁,进入同步代码库前要获得给定对象的锁。

Synchronized的作用

  • 原子性:确保线程互斥的访问同步代码;
  • 可见性:保证共享变量的修改能够及时可见,其实是通过Java内存模型中的 “对一个变量unlock操作之前,必须要同步到主内存中;如果对一个变量进行lock操作,则将会清空工作内存中此变量的值,在执行引擎使用此变量前,需要重新从主内存中load操作或assign操作初始化变量值” 来保证的;
  • 有序性:有效解决重排序问题,即 “一个unlock操作先行发生(happen-before)于后面对同一个锁的lock操作”;

从语法上讲,Synchronized可以把任何一个非null对象作为"锁",在HotSpot JVM实现中,锁有个专门的名字:对象监视器(Object Monitor)

Synchronized的原理

从JVM规范中可以得知Synchronized在JVM里的实现原理,JVM基于进入和退出monitor对象(monitor对象存储在java对象头中)来实现方法同步和代码块同步,但是两者的实现细节不一样。

代码块同步

代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现的。

public class SynchronizedDemo {
    public void method() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("Method 1 start");
        }
    }
}
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从上图对代码编译后得知,Synchronized会在同步代码块的前面插入monitorenter指令,在同步代码块的后面插入monitorexit指令。

monitorenter

每个对象都是一个监视器锁(monitor)。当monitor被占用时就会处于锁定状态,线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权,过程如下:

  • 如果monitor的进入数为0,则该线程进入monitor,然后将进入数设置为1,该线程即为monitor的所有者;
  • 如果线程已经占有该monitor,只是重新进入,则进入monitor的进入数加1;
  • 如果其他线程已经占用了monitor,则该线程进入阻塞状态,直到monitor的进入数为0,再重新尝试获取monitor的所有权;

monitorexit

执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者。指令执行时,monitor的进入数减1,如果减1后进入数为0,那线程退出monitor,不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。

方法同步

public class SynchronizedMethod {
    public synchronized void method() {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}
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从编译的结果来看,方法的同步是通过ACC_SYNCHRONIZED标识符来实现的。

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,执行线程将先获取monitor,获取成功之后才能执行方法体,方法执行完后再释放monitor。在方法执行期间,其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象。

两种同步方式本质上没有区别,只是方法的同步是一种隐式的方式来实现,无需通过字节码来完成。两个指令的执行是JVM通过调用操作系统的互斥原语mutex来实现,被阻塞的线程会被挂起、等待重新调度,会导致“用户态和内核态”两个态之间来回切换,对性能有较大影响。

Synchronized的可重入性

synchronized和ReentrantLock都是可重入锁。当一个线程试图操作一个由其他线程持有的对象锁的临界资源时,将会处于阻塞状态,但当一个线程再次请求自己持有对象锁的临界资源时,这种情况属于重入锁。通俗一点讲就是说一个线程拥有了锁仍然还可以重复申请锁。

注意由于synchronized是基于monitor实现的,因此每次重入,monitor中的计数器仍会加1。