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Java并發編程 | Synchronized原理與使用

生活百科

Java提供了多種機制實現多線程之間有需要同步執行的場景需求 。其中最基本的是Synchronized ，實現上使用對象監視器( Monitor ) 。
Java中的每個對象都是與線程可以鎖定或解鎖的對象監視器( Monitor )關聯 。在同一時間只有一個線程可以在對象監視器( Monitor )上保持鎖定 。任何其他線程試圖鎖定對象監視器( Monitor )都會被阻止，直到它們可以獲得該監視器上的鎖定 。
Synchronized 基本使用方式Synchronized 的作用范圍，依據鎖定的對象（object、this、class）、使用方式，可以分成五種情況 。如果按照JVM字節碼的區別 ， 也可以分成兩種形式：代碼塊（monitorenter、monitorexit）、函數（ACC_SYNCHRONIZED） 。
雖然可以按照不同維度來劃分 Synchronized 但本身機制是一樣的，無論是 Synchronized 函數/代碼塊，都是通過對象監視器( Monitor )來實現 。無論是this、class、object本質上都是一個對象，區別無非代表的是當前實例、類、一般實例，它們都有著對象監視器( Monitor ) 。
在HotSpot虛擬機中，對象監視器( Monitor ) 具體的實現類就是 ObjectMonitor（C++） 。
在使用/分析 Synchronized 同步是否有效正確的時候 ， 只需要分析需要的同步塊是否作用在同一個對象監視器( Monitor )上 。換一種描述，是否作用在同一個對象（Object）上，這里（Object）可以是this、object、class 。

Java并發編程 | Synchronized原理與使用

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下面分別按照Synchronized 代碼塊、Synchronized 函數維度來進行詳細介紹 。
Synchronized 代碼塊Synchronized 代碼塊的一般使用形式：synchronized ( Expression ) Block。
Expression 必須是一個對象，可以是class、this、object ， 不能是原始類型（int、float...）；否則編譯的時候就會報錯 。如果 Expression 是null，會拋出NullPointerException 的異常 。
Block表示一段邏輯代碼，執行邏輯代碼前會鎖定Expression 的對象監視器( Monitor ) 。如果正常運行完成后 ， 對象監視器( Monitor )會被釋放；如果運行期間異常/中斷了同樣的也會釋放對象監視器( Monitor ) 。先加鎖確保其他線程無法進入執行，所以Synchronized 是悲觀鎖，JVM指令上使用monitorenter、monitorexit 來進行相關實現 。
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在字節碼指令里可以也可以看到有兩個monitorexit ，一個是正常運行后的釋放；另一個是在異常（athrow）拋出前的釋放 。同一個線程可以多次進入被鎖定的相同對象監視器( Monitor )，所以Synchronized 是可重入鎖 。
【Java并發編程 | Synchronized原理與使用】
Java并發編程 | Synchronized原理與使用

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Synchronized 函數Synchronized函數在同步原理上同 Synchronized代碼塊是沒有區別的，都是通過鎖定對象監視器( Monitor )；區別在于這里的對象是隱藏了起來 。同樣的支持可重入 。
如果是靜態方法（static），鎖定的對象是這個方法所在的class object 對象 。如果是普通的方法 ， 鎖定的是this（當前實例）對象 。
編譯成JVM字節碼的時候 ， 函數描述上會標識ACC_SYNCHRONIZED ，并不會在函數代碼塊中顯示的使用monitorenter、monitorexit指令 。
在調用函數前鎖定對象監視器( Monitor )，完成運行后釋放對象監視器( Monitor ) 。無論函數是否有顯性的拋出/處理異常，如果有異常中斷拋出前也會自動的釋放鎖定的對象監視器( Monitor ) 。
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Synchronized 實現原理Synchronized同步一直也在進行優化，也是跟隨著JDK新理念一起發展 。比如偏向鎖、輕量鎖、重量鎖、適應性自旋等等機制 。不同的JDK版本，不同的JVM可能都有所不同 。
在HotSpot虛擬機中，拋開鎖升級、自適應等機制；基本原理是線程通過 CAS搶占對象監視器( Monitor ) _Owner來實現鎖 ， 沒有搶占的會進入 _EntryList 來進行放置 。當然，線程執行/中斷釋放_Owner后，_EntryList并不是簡單按照FIFO來進行選擇執行不會保證公平性，所以Synchronized是非公平鎖 。
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圖中_WaitSet沒有體現用途，但其是很重要的一個結構， 用于當 _Owner 執行線程中斷時，線程將會寫入 。值得注意獲取到鎖之后才能中斷，等待鎖時不可中斷 。當相關線程被喚醒后，會采有不同的策略重新回到_EntryList 或者 參與CAS競爭 _Owner ， 這里存在線程上下文切換的可能 。

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