Synchronized 底层原理

一、Synchronized的基本使用

Synchronized是Java中解决并发问题的一种最常用的方法，也是最简单的一种方法。

Synchronized的作用主要有三个：

确保线程互斥的访问同步代码

保证共享变量的修改能够及时可见

有效解决重排序问题。

从语法上讲，Synchronized总共有三种用法：

（1）修饰普通方法

（2）修饰静态方法

（3）修饰代码块

接下来我就通过几个例子程序来说明一下这三种使用方式（为了便于比较，三段代码除了Synchronized的使用方式不同以外，其他基本保持一致）

1.1、没有同步的情况

代码段一：

package com.paddx.test.concurrent;

public class SynchronizedTest {
  public void method1(){
    
    System.out.println("Method 1 start");
    try {
      System.out.println("Method 1 execute");
      Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
       e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("Method 1 end");
  }

  public void method2(){
    System.out.println("Method 2 start");
    try {
      System.out.println("Method 2 execute");
      Thread.sleep(1000);
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("Method 2 end");
  }

  public static void main(String[] args) {
    final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();

    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        test.method1();
      }
    }).start();

    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        test.method2();
      }
    }).start();
  }
}

执行结果如下，线程1和线程2同时进入执行状态，线程2执行速度比线程1快，所以线程2先执行完成，这个过程中线程1和线程2是同时执行的。
Method 1 start
Method 1 execute
Method 2 start
Method 2 execute
Method 2 end
Method 1 end

1.2、对普通方法同步

代码段2：

package com.paddx.test.concurrent;

public class SynchronizedTest {
  public synchronized void method1(){
    System.out.println("Method 1 start");
    try {
      System.out.println("Method 1 execute");
      Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("Method 1 end");
  }

  public synchronized void method2(){
    System.out.println("Method 2 start");
    try {
      System.out.println("Method 2 execute");
      Thread.sleep(1000);
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("Method 2 end");
  }

  public static void main(String[] args) {
    final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();

    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        test.method1();
      }
    }).start();

    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        test.method2();
      }
    }).start();
  }
}

执行结果如下，跟代码段一比较，可以很明显的看出，线程2需要等待线程1的method1执行完成才能开始执行method2方法。

Method 1 start
Method 1 execute
Method 1 end
Method 2 start
Method 2 execute
Method 2 end

1.3、静态方法（类）同步

代码段三：

package com.paddx.test.concurrent;

public class SynchronizedTest {
  public static synchronized void method1(){
    System.out.println("Method 1 start");
    try {
      System.out.println("Method 1 execute");
      Thread.sleep(3000);
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("Method 1 end");
  }

  public static synchronized void method2(){
    System.out.println("Method 2 start");
    try {
      System.out.println("Method 2 execute");
      Thread.sleep(1000);
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("Method 2 end");
  }

  public static void main(String[] args) {
    final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();
    final SynchronizedTest test2 = new SynchronizedTest();

    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        test.method1();
      }
    }).start();

    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        test2.method2();
      }
    }).start();
  }
}

执行结果如下，对静态方法的同步本质上是对类的同步（静态方法本质上是属于类的方法，而不是对象上的方法）

所以即使test和test2属于不同的对象，但是它们都属于SynchronizedTest类的实例，所以也只能顺序的执行method1和method2，不能并发执行。
Method 1 start
Method 1 execute
Method 1 end
Method 2 start
Method 2 execute
Method 2 end

1.4、代码块同步

代码段四：

package com.paddx.test.concurrent;

public class SynchronizedTest {
  public void method1(){
    System.out.println("Method 1 start");
    try {
      synchronized (this) {
        System.out.println("Method 1 execute");
        Thread.sleep(3000);
      }
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("Method 1 end");
  }

  public void method2(){
    System.out.println("Method 2 start");
    try {
      synchronized (this) {
        System.out.println("Method 2 execute");
        Thread.sleep(1000);
      }
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("Method 2 end");
  }

  public static void main(String[] args) {
    final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();

    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        test.method1();
      }
    }).start();

    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        test.method2();
      }
    }).start();
  }
}

执行结果如下，虽然线程1和线程2都进入了对应的方法开始执行，但是线程2在进入同步块之前，需要等待线程1中同步块执行完成。
Method 1 start
Method 1 execute
Method 2 start
Method 1 end
Method 2 execute
Method 2 end

2、Synchronized 原理

如果对上面的执行结果还有疑问，也先不用急，我们先来了解Synchronized的原理

再回头上面的问题就一目了然了。我们先通过反编译下面的代码来看看Synchronized是如何实现对代码块进行同步的：

package com.paddx.test.concurrent;
public class SynchronizedMethod {
  public synchronized void method() {
    System.out.println("Hello World!");
  }
}

反编译结果：

关于这两条指令的作用，我们直接参考JVM规范中描述：

monitorenter ：
这段话的大概意思为：

每个对象有一个监视器锁（monitor），当monitor被占用时就会处于锁定状态。

线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权，过程如下：

如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者

如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1

如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权

monitorexit：
这段话的大概意思为：

执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者。

指令执行时，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。

其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。

通过这两段描述，我们应该能很清楚的看出Synchronized的实现原理。

Synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来完成，其实wait/notify等方法也依赖于monitor对象。

这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法，否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常。

我们再来看一下同步方法的反编译结果：

源代码：

package com.paddx.test.concurrent;

public class SynchronizedMethod {
  public synchronized void method() {
    System.out.println("Hello World!");
  }
}

反编译结果：

从反编译的结果来看，方法的同步并没有通过指令monitorenter和monitorexit来完成（理论上其实也可以通过这两条指令来实现）。不过相对于普通方法，其常量池中多了ACC_SYNCHRONIZED标示符。

JVM就是根据该标示符来实现方法的同步的：当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置。

如果设置了，执行线程将先获取monitor，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放monitor。在方法执行期间，其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象。

其实本质上没有区别，只是方法的同步是一种隐式的方式来实现，无需通过字节码来完成。

3、运行结果解释

有了对Synchronized原理的认识，再来看上面的程序就可以迎刃而解了。

3.1、代码段2结果

虽然method1和method2是不同的方法，但是这两个方法都进行了同步，并且是通过同一个对象去调用的。

所以调用之前都需要先去竞争同一个对象上的锁（monitor），也就只能互斥的获取到锁，因此，method1和method2只能顺序的执行。

3.2、代码段3结果

虽然test和test2属于不同对象，但是test和test2属于同一个类的不同实例

由于method1和method2都属于静态同步方法，所以调用的时候需要获取同一个类上monitor（每个类只对应一个class对象），所以也只能顺序的执行。

3.3、代码段4结果

对于代码块的同步，实质上需要获取Synchronized关键字后面括号中对象的monitor。

由于这段代码中括号的内容都是this，而method1和method2又是通过同一的对象去调用的，所以进入同步块之前需要去竞争同一个对象上的锁，因此只能顺序执行同步块。

4、总结

Synchronized是Java并发编程中最常用的用于保证线程安全的方式，其使用相对也比较简单。

但是如果能够深入了解其原理，对监视器锁等底层知识有所了解，一方面可以帮助我们正确的使用Synchronized关键字。

另一方面也能够帮助我们更好的理解并发编程机制，有助我们在不同的情况下选择更优的并发策略来完成任务。对平时遇到的各种并发问题，也能够从容的应对。