35.synchronized关键字的底层原理

这个问题也是面试比较高频的一个问题，也是比较难理解的，理解synchronized需要一定的Java虚拟机的知识。

在jdk1.6之前，synchronized被称为重量锁，在jdk1.6中，为了减少获得锁和释放锁带来的性能开销，引入了偏向锁和轻量级锁。下面先介绍jdk1.6之前的synchronized原理。

• 对象头

在HotSpot虚拟机中，Java对象在内存中的布局大致可以分为三部分：对象头、实例数据和填充对齐。因为synchronized用的锁是存在对象头里的，这里我们需要重点了解对象头。如果对象头是数组类型，则对象头由Mark Word、Class MetadataAddress和Array length组成，如果对象头非数组类型，对象头则由Mark Word和Class MetadataAddress组成。在32位虚拟机中，数组类型的Java对象头的组成如下表：

这里我们需要重点掌握的是Mark Word。

在运行期间，Mark Word中存储的数据会随着锁标志位的变化而变化，在32位虚拟机中，不同状态下的组成如下：

其中线程ID表示持有偏向锁线程的ID，Epoch表示偏向锁的时间戳，偏向锁和轻量级锁是在jdk1.6中引入的。

• 重量级锁的底部实现原理：Monitor

在jdk1.6之前，synchronized只能实现重量级锁，Java虚拟机是基于Monitor对象来实现重量级锁的，所以首先来了解下Monitor，在Hotspot虚拟机中，Monitor是由ObjectMonitor实现的，其源码是用C++语言编写的，首先我们先下载Hotspot的源码，源码下载链接：http://hg.openjdk.java.net/jdk8/jdk8/hotspot，找到ObjectMonitor.hpp文件，路径是src/share/vm/runtime/objectMonitor.hpp，这里只是简单介绍下其数据结构

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; //锁的计数器，获取锁时count数值加1，释放锁时count值减1，直到
    _waiters      = 0, //等待线程数
    _recursions   = 0; //锁的重入次数
    _object       = NULL; 
    _owner        = NULL; //指向持有ObjectMonitor对象的线程地址
    _WaitSet      = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ; //阻塞在EntryList上的单向线程列表
    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 ;
  }

其中 _owner、_WaitSet和_EntryList 字段比较重要，它们之间的转换关系如下图

从上图可以总结获取Monitor和释放Monitor的流程如下：

1. 当多个线程同时访问同步代码块时，首先会进入到EntryList中，然后通过CAS的方式尝试将Monitor中的owner字段设置为当前线程，同时count加1，若发现之前的owner的值就是指向当前线程的，recursions也需要加1。如果CAS尝试获取锁失败，则进入到EntryList中。
2. 当获取锁的线程调用wait()方法，则会将owner设置为null，同时count减1，recursions减1，当前线程加入到WaitSet中，等待被唤醒。
3. 当前线程执行完同步代码块时，则会释放锁，count减1，recursions减1。当recursions的值为0时，说明线程已经释放了锁。

之前提到过一个常见面试题，为什么wait()、notify()等方法要在同步方法或同步代码块中来执行呢，这里就能找到原因，是因为wait()、notify()方法需要借助ObjectMonitor对象内部方法来完成。

• synchronized作用于同步代码块的实现原理

前面已经了解Monitor的实现细节，而Java虚拟机则是通过进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步的。这里为了更方便看程序字节码执行指令，我先在IDEA中安装了一个jclasslib Bytecode viewer插件。我们先来看这个synchronized作用于同步代码块的代码。

    public void run() {
        //其他操作.......
        synchronized (this){   //this表示当前对象实例，这里还可以使用syncTest.class，表示class对象锁
            for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                i++;
            }
        }

    }

查看代码字节码指令如下：

 1 dup
 2 astore_1
 3 monitorenter     //进入同步代码块的指令
 4 iconst_0
 5 istore_2
 6 iload_2
 7 sipush 10000
10 if_icmpge 27 (+17)
13 getstatic #2 <com/company/syncTest.i>
16 iconst_1
17 iadd
18 putstatic #2 <com/company/syncTest.i>
21 iinc 2 by 1
24 goto 6 (-18)
27 aload_1
28 monitorexit     //结束同步代码块的指令
29 goto 37 (+8)
32 astore_3
33 aload_1
34 monitorexit     //遇到异常时执行的指令
35 aload_3
36 athrow
37 return

从上述字节码中可以看到同步代码块的实现是由monitorenter 和 monitorexit 指令完成的，其中monitorenter指令所在的位置是同步代码块开始的位置，第一个monitorexit 指令是用于正常结束同步代码块的指令，第二个monitorexit 指令是用于异常结束时所执行的释放Monitor指令。

• synchronized作用于同步方法原理

    private synchronized void add() {
        i++;
    }

查看字节码如下：

0 getstatic #2 <com/company/syncTest.i>
3 iconst_1
4 iadd
5 putstatic #2 <com/company/syncTest.i>
8 return

发现这个没有monitorenter 和 monitorexit 这两个指令了，而在查看该方法的class文件的结构信息时发现了Access flags后边的synchronized标识，该标识表明了该方法是一个同步方法。Java虚拟机通过该标识可以来辨别一个方法是否为同步方法，如果有该标识，线程将持有Monitor，在执行方法，最后释放Monitor。

原理大概就是这样，最后总结一下，面试中应该简洁地如何回答synchroized的底层原理这个问题。

答：Java虚拟机是通过进入和退出Monitor对象来实现代码块同步和方法同步的，代码块同步使用的是monitorenter 和 monitorexit 指令实现的，而方法同步是通过Access flags后面的标识来确定该方法是否为同步方法。

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