Java并发编程 | Synchronized原理与使用

Java提供了多种机制实现多线程之间有需要同步执行的场景需求。其中最基本的是Synchronized ，实现上使用对象监视器( Monitor )。

Java中的每个对象都是与线程可以锁定或解锁的对象监视器( Monitor )关联。在同一时间只有一个线程可以在对象监视器( Monitor )上保持锁定。任何其他线程试图锁定对象监视器( Monitor )都会被阻止，直到它们可以获得该监视器上的锁定。

Synchronized 基本使用方式
Synchronized 的作用范围，依据锁定的对象（object、this、class）、使用方式，可以分成五种情况。如果按照JVM字节码的区别，也可以分成两种形式：代码块（monitorenter、monitorexit）、函数（ACC_SYNCHRONIZED）。

虽然可以按照不同维度来划分 Synchronized 但本身机制是一样的，无论是 Synchronized 函数/代码块，都是通过对象监视器( Monitor )来实现。无论是this、class、object本质上都是一个对象，区别无非代表的是当前实例、类、一般实例，它们都有着对象监视器( Monitor )。

在HotSpot虚拟机中，对象监视器( Monitor ) 具体的实现类就是 ObjectMonitor（C++）。

在使用/分析 Synchronized 同步是否有效正确的时候，只需要分析需要的同步块是否作用在同一个对象监视器( Monitor )上。换一种描述，是否作用在同一个对象（Object）上，这里（Object）可以是this、object、class。

下面分别按照Synchronized 代码块、Synchronized 函数维度来进行详细介绍。

Synchronized 代码块
Synchronized 代码块的一般使用形式：synchronized ( Expression ) Block 。

Expression 必须是一个对象，可以是class、this、object，不能是原始类型（int、float…）；否则编译的时候就会报错。如果 Expression 是null，会抛出NullPointerException 的异常。

Block表示一段逻辑代码，执行逻辑代码前会锁定Expression 的对象监视器( Monitor )。如果正常运行完成后，对象监视器( Monitor )会被释放；如果运行期间异常/中断了同样的也会释放对象监视器( Monitor )。先加锁确保其他线程无法进入执行，所以Synchronized 是悲观锁，JVM指令上使用monitorenter、monitorexit 来进行相关实现。

在字节码指令里可以也可以看到有两个monitorexit ，一个是正常运行后的释放；另一个是在异常（athrow）抛出前的释放。同一个线程可以多次进入被锁定的相同对象监视器( Monitor )，所以Synchronized 是可重入锁。

Synchronized 函数
Synchronized函数在同步原理上同 Synchronized代码块是没有区别的，都是通过锁定对象监视器( Monitor )；区别在于这里的对象是隐藏了起来。同样的支持可重入。

如果是静态方法（static），锁定的对象是这个方法所在的class object 对象。
如果是普通的方法，锁定的是this（当前实例）对象。

编译成JVM字节码的时候，函数描述上会标识ACC_SYNCHRONIZED ，并不会在函数代码块中显示的使用monitorenter、monitorexit指令。

在调用函数前锁定对象监视器( Monitor )，完成运行后释放对象监视器( Monitor )。无论函数是否有显性的抛出/处理异常，如果有异常中断抛出前也会自动的释放锁定的对象监视器( Monitor )。

Synchronized 实现原理
Synchronized同步一直也在进行优化，也是跟随着JDK新理念一起发展。比如偏向锁、轻量锁、重量锁、适应性自旋等等机制。不同的JDK版本，不同的JVM可能都有所不同。

在HotSpot虚拟机中，抛开锁升级、自适应等机制；基本原理是线程通过 CAS抢占对象监视器( Monitor ) _Owner来实现锁，没有抢占的会进入 _EntryList 来进行放置。当然， 线程执行/中断释放_Owner后，_EntryList并不是简单按照FIFO来进行选择执行不会保证公平性，所以Synchronized是非公平锁。

图中_WaitSet没有体现用途，但其是很重要的一个结构， 用于当 _Owner 执行线程中断时，线程将会写入。值得注意获取到锁之后才能中断，等待锁时不可中断。当相关线程被唤醒后，会采有不同的策略重新回到_EntryList 或者 参与CAS竞争 _Owner，这里存在线程上下文切换的可能。