Synchronized关键字的底层原理

Love The Way You Lie 2024-04-24 23:03 64阅读 0赞

`synchronized` 关键字是 Java 中实现同步的一个原语（primitive），它基于内部锁（intrinsic lock）或监视器锁（monitor lock）来提供互斥，并确保只有一个线程可以执行某个方法或者同步块的代码。底层原理涉及到 JVM 的内部实现，下面是详细的分析。

#### synchronized 原理 ####

1.  **锁的概念**  
    每个 Java 对象都可以关联一个监视器锁，当 synchronized 修饰方法或代码块时，执行该代码的线程必须先获得该对象的锁。
2.  **对象头 Mark Word**  
    Java 对象头中的 Mark Word 存储了对象的运行时数据，包括哈希码、GC 年龄分代、锁状态标志、线程持有的锁等。锁的状态信息就记录在这里。
3.  **锁的状态**  
    锁有多种状态，包括无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态。锁可以根据竞争情况在这些状态之间升级。
4.  **锁的升级过程**
    
     *  **无锁状态**：对象未被锁定。
     *  **偏向锁**：假设锁主要被一个线程访问，减少同步操作的开销。
     *  **轻量级锁**：当没有线程竞争时，使用 CAS 操作来获取锁。
     *  **重量级锁**：当有多个线程同时竞争锁时，锁会升级为重量级锁，线程将进入阻塞状态。
5.  **synchronized 的操作**  
    对于同步块，JVM 会在编译后的字节码中插入 `monitorenter` 和 `monitorexit` 指令。
    
     *  **monitorenter**：指示线程尝试获取锁。
     *  **monitorexit**：指示线程释放锁。

#### 代码演示和字节码分析 ####

下面是一个使用 `synchronized` 同步块的 Java 示例：

public class SynchronizedDemo {
        
        private Object lock = new Object();
    
        public void synchronizedBlock() {
        
            synchronized(lock) {
        
                // critical section
            }
        }
    }

当这个类被编译成字节码后，`synchronizedBlock` 方法将包含 `monitorenter` 和 `monitorexit` 两个指令。

#### 同步方法 ####

当 `synchronized` 关键字用于实例方法时，锁定的是调用该方法的对象实例。用于静态方法时，锁定的是该方法所属的 Class 对象。

public synchronized void synchronizedMethod() {
        
        // method body
    }
    
    public static synchronized void staticSynchronizedMethod() {
        
        // method body
    }

在这个例子中，`synchronizedMethod` 方法锁定的是包含它的对象实例，而 `staticSynchronizedMethod` 方法锁定的是它所属的类的 Class 对象。

在字节码层面，这些方法会被标记为 ACC\_SYNCHRONIZED，表示这是一个同步方法，不需要 `monitorenter` 和 `monitorexit` 指令。当方法被调用时，锁会自动被获取，当方法返回时，锁会自动被释放，即使是抛出异常的情况。

#### 深入 JVM ####

在 JVM 内部，锁主要依靠操作系统提供的原语来实现。在 Java 6 之前，synchronized 主要依赖操作系统内的互斥量（mutex）；从 Java 6 开始，引入了更为复杂的锁优化策略，如偏向锁和轻量级锁，这些都是在用户空间实现的，避免了内核空间的切换代价。

*  **偏向锁**：在无竞争的情况下，避免了锁的释放与再次获取的成本，通过在对象头的 Mark Word 标记线程 ID 实现。
 *  **轻量级锁**：通过在栈帧中创建锁记录（Lock Record）来存储锁对象指针，使用 CAS 操作尝试获取锁。
 *  **重量级锁**：如果轻量级锁的 CAS 失败，表明有其他线程竞争，锁将膨胀为重量级锁，此时线程可能会被挂起。

#### 总结 ####

`synchronized` 关键字是 Java 中实现同步的一个重要工具。在 JVM 层面，它涉及到对象头信息的操作、锁状态的转换以及与操作系统原语的交互。随着 Java 平台的发展，synchronized 的实现会继续优化，以减少同步的性能开销。对于开发者来说，理解 synchronized 的底层原理有助于更有效地在多线程编程中使用这个关键字。