浅析 synchronized 底层

2023-10-08 13:37:52

synchronized 是 Java 的关键字之一，提供一种原子性的内部锁，Java 中的每个对象都可以把它当作一个同步锁使用，这种 Java 内置的使用者看不到的锁为内部所，或叫监视器锁。

synchronized 内存语义
Monitor
- 简介
- 特点
对象内存模型中的锁标记
- 参考链接

synchronized 内存语义

进入 synchronized块，即是当前线程会从自己的工作内存中清除 synchronized块中使用到的变量，并从主内存中加载。

退出 synchronized块，即是当前线程将对 synchronized块中使用到的变量作出的修改刷新到主存上。

Monitor

简介

即上述所提到的监视器锁中的监视器（monitor），也会被翻译为管程。在操作系统中，面对多线程操作时，通常会用到 semaphore （信号量）和mutex（互斥）这两个重要的同步原语，但直接操作这两者会非常复杂。为了能够更容易编写正确程序，在二者的基础上，提出了monitor。

需要注意，操作系统本身不支持monitor，monitor的支持属于编程语言范围，例如 C 语言不支持monitor，而 Java 是支持的。对于不同语言，monitor的实现方式也不一样。

monitor的发展史上，有三种不同的模型：

Hasen模型
Hoare模型
MESA模型

后面提到的 monitor均指 Java 中实现的 monitor

Java 则参考了 MESA 模型进行实现，在 JVM 使用的 HostSpot 模拟机中，monitor是由 C++ 来实现的，主要数据结构如下：

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; //monitor进入数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;  //线程的重入次数
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL; //标识拥有该monitor的线程
    _WaitSet      = NULL; //等待线程组成的双向循环链表，_WaitSet是第一个节点
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ; //多线程竞争锁进入时的单项链表
    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 ;
  }

使用 synchronized 关键字，通常需要指定一个对象，称作monitor object。HotSpot 会自动创建与该对象关联的monitor对象。

特点

同一时刻，monitor仅支持一个进程 / 线程进入monitor定义的临界区（达成互斥）。同时，还需要对未能进入临界区的进程 / 线程进行管理，例如阻塞和唤醒。monitor作为一个同步工具，能够提供管理进程 / 线程状态的机制。

如若semaphore （信号量）和mutex（互斥），还需要使用者对上述机制进行实现，而monitor在内部进行了实现，对外提供了更简洁易用的接口。

当线程需要获取锁时，会放入 Entry Set 进行等待。

如果线程得到锁，则称为当前锁的Owner。

若获得锁的线程运行时发现需要等待外部条件，则可调用wait方法，进入Wait Set等待。

进入Wait Set的线程会被notify的调用唤醒，重新尝试获取锁变为Owner。

还需要留意一点时，线程出入临界区时，会分别执行moniterenter/moniterexist系统调用，同时 Java 线程实际上是对操作系统线程的映射。因此在 Java SE1.6 前，使用synchronized会造成线程状态切换（用户态和内核态），增大运行开销。在 Java SE1.6 后，synchronized得到优化，引入了 偏向锁、轻量级锁。