解析Java中synchronized关键字的同步机制原理

矿仔
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关于synchronized的使用，我在上一篇文章确保多线程环境下数据一致性的关键：synchronized的应用写了。接下来进入原理的部分。

先看下面一段代码：

public class SynchronizeTheory {
    public void method() {
        // 省略代码逻辑...
        System.out.println("normal code.");
    }
}

假设现在这是一段普通的代码逻辑，我们将其编译一下，然后通过javap看一下已编译类文件的详细信息。

可以看到一些信息比如版本号、MD5、常量池、构造器、方法等信息，找到method方法可以看到标志位显示的是ACC_PUBLIC，说明该方法是一个PUBLIC方法。

现在，假设执行method方法这段代码逻辑时存在临界资源，多线程下可能会有数据不一致的情况，我们需要把这段方法改成一个同步方法，加上synchronized关键字，如下

public class SynchronizeTheory {

    public synchronized void method() {

        System.out.println("进入同步代码块");

        // 省略同步逻辑...

        System.out.println("Synchronized code.");

    }

}

再看下编译后的信息：

可以看到，标志位在原有ACC_PUBLIC的基础上，又新增了ACC_SYNCHRONIZED标识符。说明method还是一个同步方法。

到这里可以解释synchronized能够实现同步的原理了。在Java字节码中，使用synchronize关键字标记的方法（或代码块）在编译为字节码时会通过 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现同步。monitorenter对应同步代码块的开始位置，monitorexit指令对应同步代码块的结束位置。从行号表中也可以看出对应关系：

这张图再结合一下源代码就清晰了：

在源代码第13行时进入到同步代码块中，在第19行时退出同步代码块。结合monitorenter和monitorexit指令的执行时机体现在程序里就是：

在进入同步方法时也就是第13行，执行monitorenter指令，这时会尝试获取相关对象的Monitor锁，如果锁未被其他线程占用，则该线程将获得锁并进入Monitor。如果锁已被其他线程持有，线程将被阻塞直到锁被释放。当执行到代码19行时，这时要退出同步方法，会执行monitorexit指令，会释放持有的Monitor锁。

这时你可能会有很多疑问，比如从字节码中没有看到这两条指令啊？或者Monitor锁又是啥...

不急，这几个问题我会一个个说来，说这些之前先解释下锁的可重入性。synchronized是一种对象锁(锁的是对象而非引用)，作用粒度是对象，可以用来实现对临界资源的同步互斥访问，是可重入锁。

结合可重入性再补充一下上面说的这两条指令的执行机制：

任何一个对象都有一个Monitor与之关联，当且一个Monitor被持有后，它将处于锁定状态。进入同步代码块的线程会通过monitor的进入数来判断是否可进入，如果monitor的进入数为0，该线程进入，也就是monitorenter指令执行成功，这是进入数就设置为1，并且该线程为monitor的持有者。

如果该线程已经占有了该monitor(每个对象头中会有偏向线程ID信息，以此来定位所属线程)，只是重新进入，则monitor的进入数加1。如果是其他线程占用monitor，则线程进入阻塞状态，等待monitor的进入数为0，再重新尝试进入。

所以在执行monitorexit时，进入数也要减1。如果某个线程重入了monitor，完全退出时也要执行相应的释放次数。确保monitor进入数为0。当monitor的进入数为0时，这个线程也就是释放了持有权。

再说下为何字节码中没有这两条指令的信息？

这里其实只是没有直接的体现，由于反编译器对字节码进行了优化或简化，将synchronized方法的同步实现以更简洁的方式表示出来了，在实际执行时，Java虚拟机会根据synchronize的语义来确保同步。monitorenter指令用于获取对象的监视器锁，而monitorexit指令用于释放锁。这些指令会在同步块的开始和结束位置隐式地执行。这也是因为同步的实现是由Java虚拟机负责的，而不是由反编译器生成的字节码所体现。

那Monitor监视器锁又是什么？

在Java虚拟机中，每个对象都会与一个Monitor关联。它通常被描述为一个对象。与一切皆对象一样，所有的Java对象都有成为Monitor的潜质。因为在Java的设计中 ，每一个Java对象设计中就带了一把看不见的锁，它叫做内部锁或者Monitor锁。也就是通常说Synchronized的对象锁，MarkWord锁标识位为10，其中指针指向的是Monitor对象的起始地址。在HotSpot实现的Java虚拟机中，Monitor是由ObjectMonitor实现的：

我们用synchronized实现了同步方法，Java代码编译成字节码后通过标识符ACC_SYNCHRONIZED来判断同步状态，通过monitor指令获取Monitor监视器锁，monitorexit释放监视器锁，由Hotspot中的ObjectMonitor来实现获取与释放的逻辑。

这样子串起来以后，是不是容易理解一些了，通过加深对synchronized的理解，来帮助我们写出高效且线程安全的Java程序。

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