synchronized关键字的底层原理

在Java中,关键字synchronized可以保证在同一个时刻,只有一个线程可以执行某个方法或者某个代码块(主要是对方法或者代码块中存在共享数据的操作)。

同时我们还应该注意到synchronized的另外一个重要的作用,synchronized可保证一个线程的变化(主要是共享数据的变化)被其他线程所看到

1. synchronized的基本使用

在现实场景中,抢票代码,如果不加锁,就会出现超卖或者一张票卖给多个人

Synchronized对象锁采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有对象锁,其它线程再想获取这个对象锁时就会阻塞住,代码如下

public class synchronizedTest {
    // 创建一个静态对象作为锁
    static Object lock = new Object();
    // 初始票数
    int ticketNum = 20;

    // 获取票的方法,使用 synchronized 修饰确保线程安全
    public synchronized void getTicket() {
        // 使用当前对象作为锁
        synchronized (this) {
            // 如果票数已经为零,则返回
            if (ticketNum <= 0) {
                return;
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢到一张票,剩余:" + ticketNum);
            // 非原子性操作,扣除一张票
            ticketNum--;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 创建 synchronizedTest 实例
        synchronizedTest synchronizedTest = new synchronizedTest();
        // 创建并启动 20 个线程
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            // 调用获取票的方法
            new Thread(() -> synchronizedTest.getTicket()).start();
        }
    }
}

通过以上代码,加synchronized锁,就可以防止超卖

特别说明:synchronized 关键字的底层实现涉及到 Java 虚拟机中的监视器(Monitor)机制。

每个 Java 对象都与一个 Monitor 相关联,Monitor 负责对象的锁定和解锁,以及线程的阻塞和唤醒。

2. Monitor

Monitor 被翻译为监视器,是由jvm提供,c++语言实现

使用一下简单代码中查看monitor,通过javap命令查看clsss的字节码

public class MonitorTest {
    static final Object lock = new Object();
    static int counter = 0;
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (lock) {
            counter++;
        }
    }
}
图片[1]-synchronized关键字的底层原理-不念博客
  • monitorenter: 上锁开始的地方
  • monitorexit:  解锁的地方
  • 其中被monitorenter和monitorexit包围住的指令就是上锁的代码

思考:为什么会出现两个monitorexit

有两个monitorexit的原因,第二个monitorexit是为了防止锁住的代码抛异常后不能及时释放锁在使用了synchornized代码块时需要指定一个对象,所以synchornized也被称为对象锁

monitor主要就是跟这个对象产生关联,如下图

图片[2]-synchronized关键字的底层原理-不念博客

Monitor内部具体的存储结构:

  • Owner:存储当前获取锁的线程的,只能有一个线程可以获取
  • EntryList:关联没有抢到锁的线程,处于Blocked状态的线程
  • WaitSet:关联调用了wait方法的线程,处于Waiting状态的线程

具体的流程:

  • 代码进入synchorized代码块,先让lock(对象锁)关联的monitor,然后判断Owner是否有线程持有
  • 如果没有线程持有,则让当前线程持有,表示该线程获取锁成功
  • 如果有线程持有,则让当前线程进入entryList进行阻塞,如果Owner持有的线程已经释放了锁,在EntryList中的线程去竞争锁的持有权(非公平)
  • 如果代码块中调用了wait()方法,则会进去WaitSet中进行等待

3.面试题

面试官:synchronized关键字的底层原理?

  • Synchronized【对象锁】采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】
  • 它的底层由monitor实现的,monitor是jvm级别的对象( C++实现),线程获得锁需要使用对象(锁)关联monitor
  • 在monitor内部有三个属性,分别是owner、entrylist、waitset
  • 其中owner是关联的获得锁的线程,并且只能关联一个线程;entrylist关联的是处于阻塞状态的线程;waitset关联的是处于Waiting状态的线程
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THE END
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