Java程序员必会Synchronized底层原理剖析

synchronized作为Java程序员最常用同步工具，很多人却对它的用法和实现原理一知半解，以至于还有不少人认为synchronized是重量级锁，性能较差，尽量少用。

但不可否认的是synchronized依然是并发首选工具，连volatile、CAS、ReentrantLock都无法动摇synchronized的地位。synchronized是工作面试中的必备技能，今天就跟着一灯一块深入剖析synchronized的底层原理。

1. synchronized作用

synchronized是Java提供一种隐式锁，无需开发者手动加锁释放锁。保证多线程并发情况下数据的安全性，实现了同一个时刻只有一个线程能访问资源，其他线程只能阻塞等待，简单说就是互斥同步。

2. synchronized用法

先看一下synchronized有哪几种用法？

使用位置	被锁对象	示例代码
实例方法	实例对象	public synchronized void method() { …… }
静态方法	class类	public static synchronized void method() { …… }
实例对象	实例对象	public void method() { Object obj = new Object(); synchronized (obj) { …… } }
类对象	class类	public void method() { synchronized (Demo.class) { …… } }
this关键字	实例对象	public void method() { synchronized (this) { …… } }

可以看到被锁对象只要有两种，实例对象和class类。

• 由于静态方法可以通过类名直接访问，所以它跟直接加锁在class类上是一样的。

• 当在实例方法、实例对象、this关键字上面加锁的时候，锁定范围都是当前实例对象。

• 实例对象上面的锁和class类上面的锁，两者不互斥。

3. synchronized加锁原理

当我们使用synchronized在方法和对象上加锁的时候，Java底层到底怎么实现加锁的？

当在类对象上加锁的时候，也就是在class类加锁，代码如下：

/**
 * @author 一灯架构
 * @apiNote Synchronized示例
 **/
public class SynchronizedDemo {

    public void method() {
        synchronized (SynchronizedDemo.class) {
            System.out.println("Hello world!");
        }
    }

}

反编译一下，看一下源码实现：

可以看到，底层是通过monitorenter和monitorexit两个关键字实现的加锁与释放锁，执行同步代码之前使用monitorenter加锁，执行完同步代码使用monitorexit释放锁，抛出异常的时候也是用monitorexit释放锁。

写成伪代码，类似下面这样：

/**
 * @author 一灯架构
 * @apiNote Synchronized示例
 **/
public class SynchronizedDemo {

    public void method() {
        try {
            monitorenter 加锁;
            System.out.println("Hello world!");
            monitorexit 释放锁;
        } catch (Exception e) {
            monitorexit 释放锁;
        }
    }

}

当在实例方法上加锁，底层是怎么实现的呢？代码如下：

/**
 * @author 一灯架构
 * @apiNote Synchronized示例
 **/
public class SynchronizedDemo {

    public static synchronized void method() {
        System.out.println("Hello world!");
    }

}

再反编译看一下底层实现：

这次只使用了一个ACC_SYNCHRONIZED关键字，实现了隐式的加锁与释放锁。其实无论是ACC_SYNCHRONIZED关键字，还是monitorenter和monitorexit，底层都是通过获取monitor锁来实现的加锁与释放锁。

而monitor锁又是通过ObjectMonitor来实现的，虚拟机中ObjectMonitor数据结构如下（C++实现的）：

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; // WaitSet 和 EntryList 的节点数之和
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0; // 重入次数
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL; // 持有锁的线程
    _WaitSet      = NULL; // 处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ; // 多个线程争抢锁，会先存入这个单向链表
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; // 处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

图上展示了ObjectMonitor的基本工作机制：

1. 当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入 _EntryList 队列中等待。

2. 当某个线程获取到对象的Monitor锁后进入临界区域，并把Monitor中的 _owner 变量设置为当前线程，同时Monitor中的计数器 _count 加1。即获得对象锁。

3. 若持有Monitor的线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的Monitor锁，_owner变量恢复为null，_count减1，同时该线程进入 _WaitSet 集合中等待被唤醒。

4. 在_WaitSet 集合中的线程会被再次放到_EntryList 队列中，重新竞争获取锁。

5. 若当前线程执行完毕也将释放Monitor并复位变量的值，以便其他线程进入获取锁。

线程争抢锁的过程要比上面展示得更加复杂。除了_EntryList 这个双向链表用来保存竞争的线程，ObjectMonitor中还有另外一个单向链表 _cxq，由两个队列来共同管理并发的线程。

下篇再讲一下Synchronized锁优化的过程。

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