掘金 后端 ( ) • 2024-04-28 15:01
synchronized 关键字原理
synchronized 关键字 原理

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  1. synchronized字节码解析
  2. synchronized与管程的关系
  3. synchronized与JMM的关系
  4. synchronized与java对象头解析
  5. synchronized-cpu的实现
  6. synchronized-应用场景和实现方式

本文将深入介绍synchronized的工作原理以及与管程、Java内存模型、对象头和CPU层面的关系。包括synchronized的字节码解析、与管程的关系、与JMM的关系、对象头的解析和与CPU的实现。接着，会描述synchronized的应用场景和实现方式。

深入理解Java的synchronized

Java中的**synchronized关键字是并发编程中的核心元素，用于实现线程间的同步。本文将深入分析synchronized**的实现原理和应用，通过解析字节码、探讨与管程（Monitor）的关系、Java内存模型（JMM）、对象头以及CPU层面的实现来全面了解其工作机制。

synchronized字节码解析

在Java中，**synchronized关键字用于实现线程间的同步。当使用这个关键字时，Java虚拟机（JVM）会通过一系列特定的字节码指令来控制锁的获取与释放。我们可以通过查看synchronized**在方法和同步块中的字节码表现，更深入地理解它的工作机制。

1. 同步方法的字节码

对于一个同步方法，JVM在编译时会在方法的访问标志中添加**ACC_SYNCHRONIZED**标志。这个标志指示JVM该方法在调用时需要获取在调用对象（对于实例方法）或类对象（对于静态方法）上的锁。

例如，考虑以下Java同步方法：

javaCopy code
public synchronized void syncMethod() {
    // 方法体
}

在字节码中，这个方法将被标记为**ACC_SYNCHRONIZED**，如下所示：

plaintextCopy code
public synchronized void syncMethod();
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED

在运行时，当一个线程调用这个方法时，它首先必须成功获取与对象（或类对象）关联的锁。只有在获取锁后，线程才能执行方法体。方法执行完成后，无论是正常返回还是通过抛出异常退出，锁都会被释放。

2. 同步块的字节码

对于**synchronized代码块，JVM使用monitorenter和monitorexit指令来显式控制锁的获取和释放。每个synchronized块的开始处插入一个monitorenter指令，在结束处插入一个monitorexit**指令。

考虑以下Java代码段中的同步块：

javaCopy code
public void syncBlock() {
    Object lock = new Object();
    synchronized (lock) {
        // 同步块体
    }
}

对应的字节码大致如下：

plaintextCopy code
0: new #2                  // 创建一个新的Object实例
3: dup
4: invokespecial #1        // 调用Object的构造函数
7: astore_1                // 将引用存储到局部变量1(lock)
8: aload_1                 // 将局部变量1(lock)加载到操作数栈
9: monitorenter            // 进入monitor
10: ...                    // 同步块体的字节码
   : aload_1
   : monitorexit           // 退出monitor
   : ...
  • **monitorenter**指令尝试获取锁。如果指定的对象锁不可用（即被其他线程持有），则当前线程将阻塞直到锁可用。
  • **monitorexit指令用于释放锁。每个monitorenter必须匹配一个monitorexit**指令，以确保在方法退出时（无论是正常还是异常退出），持有的锁都能被释放。

通过这种方式，JVM确保了在任何时间点，只有一个线程可以执行同步代码块内的代码，从而实现线程安全。

synchronized与管程的关系

理解**synchronized关键字涉及到理解管程（Monitor），因为Java中的每个对象都与一个Monitor相关联。Monitor是用于实现同步的基本机制，而synchronized**关键字就是基于Monitor实现的。让我们深入了解一下这两者之间的关系。

1. 管程（Monitor）的概念

管程是一种用于实现线程间同步的抽象概念，它包含互斥（Mutex，即锁）和条件变量（Condition Variable）。互斥用于保护临界区（Critical Section），防止多个线程同时访问共享资源。条件变量用于在线程间进行通信，以实现线程的等待和唤醒。

管程提供了以下几种基本操作：

  • 进入临界区（Enter）：获取互斥锁，进入临界区执行操作。
  • 退出临界区（Exit）：释放互斥锁，退出临界区。
  • 等待（Wait）：线程在某个条件变量上等待，同时释放互斥锁。
  • 通知（Notify）：唤醒一个等待在条件变量上的线程。
  • 广播（NotifyAll）：唤醒所有等待在条件变量上的线程。

2. synchronized与管程的关系

在Java中，每个对象都与一个Monitor相关联。当使用**synchronized关键字修饰方法或代码块时，实际上是使用了对象的Monitor来实现线程间的同步。具体来说， synchronized**关键字封装了Enter、Exit、Wait、Notify和NotifyAll等操作，使得Java开发者可以方便地使用管程模型进行同步编程，而无需显式地使用管程操作。

当一个线程进入同步代码块时，它会尝试获取对象的Monitor（即进入临界区），如果Monitor已被其他线程占用，则线程会被阻塞。当线程退出同步代码块时，它会释放Monitor（即退出临界区），这样其他线程就有机会获取Monitor并进入临界区。

在同步方法中，Java编译器会自动将**ACC_SYNCHRONIZED标志添加到方法的访问标志中，从而指示该方法需要获取对象的Monitor。在同步代码块中，JVM通过插入monitorenter和monitorexit**指令来控制锁的获取和释放。

因此，通过将**synchronized**关键字与对象的Monitor结合使用，Java实现了管程模型，简化了并发编程中的同步操作，提高了开发效率并减少了死锁等问题的发生。

综上所述，**synchronized**关键字和管程密切相关，它通过封装管程的操作，为开发者提供了一种方便的方式来实现线程间的同步。

synchronized与JMM的关系

Java内存模型（Java Memory Model，JMM）规定了多线程之间共享变量的访问方式，确保多线程的可见性、有序性和一致性。同步关键字（synchronized）和JMM密切相关，因为同步关键字可以确保JMM中定义的多线程内存可见性和原子性。

JMM的特性

  1. 内存可见性：多个线程访问共享变量时，一个线程对共享变量的修改能够及时被其他线程观察到。
  2. 原子性：一个操作是不可中断的。即使在多线程环境下，一个操作不会被其他线程的调度机制打断。
  3. 有序性：程序中的代码按照我们指定的顺序执行。当程序执行指令的顺序与代码的顺序不一致时，会根据JMM的规则进行指令重排序。

synchronized的实现方式与JMM的特性

同步关键字可以保证多线程中的原子性和可见性。具体来说，同步在实现上包含：

  1. 进入同步块时，清空工作内存中的共享变量值，并从主内存中重新读取共享变量的值。
  2. 执行同步块中的代码，修改共享变量的值。
  3. 退出同步块时，将共享变量的最新值刷新回主内存。

这样，同步能够确保共享变量的可见性和原子性，从而保证了JMM中定义的内存可见性和原子性的特性。

synchronized字节码指令与JMM指令的关系

在字节码中，同步关键字使用了monitorenter和monitorexit指令来控制锁的获取和释放。这些指令与JMM中的内存屏障指令具有对应关系：

  1. monitorenter指令可以看作是一个前向内存屏障。在获取锁的时候，它会强制线程将共享变量从主内存中读取到线程的工作内存中，确保线程在进入同步块之前获得了最新值。
  2. monitorexit指令可以看作是一个后向内存屏障。在释放锁的时候，它会将线程工作内存中共享变量的最新值刷新到主内存中，确保了所有其他线程在获取锁之后能够读取到最新的值。

因此，同步关键字的字节码指令与JMM中的内存屏障指令相对应，确保了共享变量的可见性和原子性。

综上所述，同步关键字和JMM密切相关，同步通过实现JMM的特性来确保共享变量的可见性和原子性，而其字节码指令与JMM中的内存屏障指令具有对应关系，保证了多线程间的内存访问顺序和可见性。

synchronized与java对象头解析

在 Java 中，synchronized 关键字的实现是依赖于 JVM 内部的一个重要结构——对象头（Object Header）。对象头是 Java 对象在内存中的一部分，它存储了对象的元数据，包括用于锁定和线程同步的信息。了解对象头对于深入理解 synchronized 的工作原理至关重要。

对象头的组成

Java 对象头主要由两部分组成：Mark Word 和 Class Pointer。

  1. Mark Word：

    • 这部分存储了对象自身的运行时数据，如哈希码、GC 年龄段、锁状态标志、线程持有的锁等。其具体内容会根据对象状态的改变而变化。
    • 锁信息是在这一部分进行编码的，它记录了锁的状态以及到底是哪个线程持有了锁。

  2. Class Pointer：

    • 指向类元数据的指针，表示该对象是哪个类的实例。这部分信息帮助 JVM 确定该对象的类定义信息。

锁的状态

Mark Word 中关于锁的信息表明了对象可能处于以下几种状态之一：

  1. 无锁状态：

    • 对象未被锁定。任何线程都可以尝试通过 CAS 操作（比较并交换）来获取锁，并将 Mark Word 的值更新为指向锁记录（Lock Record）的指针。

  2. 偏向锁：

    • 一旦一个线程获取了对象的偏向锁，对象头的 Mark Word 会被标记为偏向模式，并且记录下获取它的线程 ID。在此之后，只要没有竞争出现，持有偏向锁的线程可以无锁地进入同步块。

  3. 轻量级锁：

    • 当偏向锁被另一个线程访问时，偏向锁会升级为轻量级锁。此时，对象头的 Mark Word 指向栈帧中的锁记录。

  4. 重量级锁：

    • 如果轻量级锁的自旋失败（即线程尝试获取锁时，锁已被其他线程持有，并且自旋（忙等）没有成功），则锁会升级为重量级锁。此时，Mark Word 指向一个重量级锁（如操作系统的互斥锁），并且所有进一步的锁获取都需要阻塞。

synchronized 的工作原理

当一个线程尝试进入一个由 synchronized 修饰的方法或代码块时，它需要先获取对象的锁。这涉及到检查对象头的 Mark Word：

  • 如果锁是无锁状态，JVM 将尝试通过 CAS 设置线程的锁记录。
  • 如果对象已经处于偏向锁状态，且当前线程是偏向锁的持有者，线程将直接进入同步块。
  • 如果锁升级（偏向锁升级为轻量级锁，或轻量级锁升级为重量级锁），JVM 将采取相应的锁策略来处理线程的进入。

当线程退出同步块时，它会将锁释放，这通常涉及到将对象头的 Mark Word 状态回复到原始状态或更新到新的锁状态。

synchronized-cpu的实现

在CPU层面，synchronized的实现通常依赖于特定的指令集架构和硬件支持，例如在x86架构上是通过锁定总线来实现。下面简要介绍一下在x86架构上synchronized的实现原理：

  1. 锁定总线（Locking the Bus） ：

    • 在x86架构上，使用了一条名为LOCK的指令前缀，可以将总线锁定，防止其他处理器访问内存，从而实现原子操作和同步。
    • 当一个线程尝试进入同步块时，它会向处理器发送一个带有LOCK前缀的指令，以获取锁。这会导致总线被锁定，其他处理器无法访问内存。
    • 当线程离开同步块时，处理器会释放锁，解除总线的锁定状态，使得其他线程可以再次访问内存。

  2. 缓存一致性协议：

    • 多处理器系统中，为了保持主内存和各个处理器的缓存一致，通常需要使用缓存一致性协议（如MESI协议）。
    • 当一个处理器通过锁定总线获取了锁时，它会发出缓存失效的信号，导致其他处理器上的缓存中的共享数据无效，从而保证数据的一致性。

  3. 指令重排序：

    • 处理器为了提高执行效率可能会对指令进行乱序执行或重排序。在synchronized块内部，使用了内存屏障（Memory Barriers）来防止指令重排序，保证了锁的获取和释放顺序。

总的来说，在x86架构上，synchronized的实现依赖于锁定总线的方式，通过硬件级别的支持来实现原子操作和内存同步，以保证线程间的正确同步。在其他架构上，可能会使用CAS指令（比较并交换）或其他方式来实现类似的原子操作，但无论哪种实现方式，都需要考虑到多处理器系统中的缓存一致性和指令重排序等问题。

synchronized-应用场景和实现方式

synchronized是Java中实现线程间同步的重要机制，通常适用于以下场景和方式：

应用场景

  1. 共享资源访问控制：当多个线程需要访问共享资源（如变量、对象等）时，可以使用synchronized来确保线程间互斥访问，避免出现数据竞争和不一致性问题。
  2. 线程间通信：synchronized可以用于实现线程间的通信和协调，例如使用wait()和notify()/notifyAll()方法实现线程的等待和唤醒。
  3. 实现线程安全的类：可以使用synchronized来实现线程安全的类，确保多线程环境下对共享对象的安全访问。

实现方式

  1. 同步代码块：通过在方法内部使用synchronized关键字修饰的代码块来实现对指定对象的同步操作。

    public void synchronizedMethod() {
    synchronized (this) {
        // 同步代码块
    }
}

  2. 同步方法：通过在方法声明中使用synchronized关键字来修饰整个方法，实现对方法内部的同步操作。

    public synchronized void synchronizedMethod() {
    // 同步方法体
}

  3. 静态同步方法：通过在静态方法声明中使用synchronized关键字来实现对整个类的同步操作。

    public static synchronized void synchronizedStaticMethod() {
    // 静态同步方法体
}

  4. Lock接口：除了使用synchronized关键字外，还可以使用Lock接口及其实现类，如ReentrantLock，来实现显式的锁定和解锁操作。

    Lock lock = new ReentrantLock();
public void synchronizedMethod() {
    lock.lock();
    try {
        // 同步代码块
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

总之，synchronized关键字是一种简单而有效的确保线程安全的机制，适用于需要通过互斥访问共享资源或实现线程间通信的情况。除此之外，也可以根据具体场景选择其他同步机制，如Lock接口，来实现线程间同步操作。
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