[Java多執行緒 -2]：由淺入深看synchronized的底層實現原理
前倆篇文章，我們聊了聊執行緒/程序的概念，接著簡單串了一下同步的方式方法。今天我們就單拎出來synchronized，好好捋一捋它的前世今生。
正文
小A：咱們前幾天鋪墊了這麼多內容，今天是不是要好好的深挖一下原理的內容了？
MDove：沒錯，接下來。我會從常見的synchronized加鎖方式入手；引出Java物件在記憶體的佈局，以及鎖的存放位置；然後看一看鎖在C++中的簡單實現思路；最後咱們從位元組碼中，看一下JVM如果識別synchronized。內容不是很難，不會涉及到特別多深奧的內容，大部分是平鋪直敘的介紹，很適合閱讀呦~
小A：快點開始吧，我等不及啦。
淺聊synchronized的使用
MDove：說起synchronized的底層實現原來，咱們先看看synchronized的倆種加鎖方式：
1、某個物件例項內
此作用域內的synchronized鎖 ，可以防止多個執行緒同時訪問這個物件的synchronized方法
並且一個物件有多個synchronized方法，只要一個執行緒訪問了其中的一個synchronized方法，其它執行緒不能同時訪問這個物件中任何一個synchronized方法。
此外，不同物件例項的synchronized方法是不相干預的。也就是說，其它執行緒可以同時訪問此類下的另一個物件例項中的synchronized方法；
public synchronized void method(){
// TODO
}
public void method(){
synchronized(this) {
// TODO
}
}
複製程式碼
2、某個類
此作用域下，可以防止多個執行緒同時訪問這個類中的synchronized方法。也就是說此種修飾，可以對此類的所有物件例項起作用。
public void method() {
synchronized(ClassName.class) {
// todo
}
}
public static synchronized method(){
// TODO
}
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MDove：注意一點，synchronized關鍵字是不能繼承的，也就是說，基類的方法synchronized fun(){} 在繼承類中並不自動是synchronized fun(){}，而是變成了fun(){}。繼承時，需要顯式的指定它的某個方法為synchronized方法。有機會你可以自己寫個demo試一下。
常見錯誤
MDove：你來看一看下面這個demo，有沒有什麼問題？
public class ErrorSyncInstance implements Runnable{
static int i=0;
public synchronized void add(){
i++;
}
@Override
public void run() {
for(int j=0;j<1000000;j++){
add();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1=new Thread(new ErrorSyncInstance());
Thread t2=new Thread(new ErrorSyncInstance());
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(i);
}
}
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小A：沒覺得有問題吶？這不就是第一種加鎖的方式，鎖例項物件麼？
MDove：既然你都知道是鎖例項物件，那你沒看出來問題麼？雖然我們使用synchronized修飾了add()。但是卻new了兩個不同的例項物件，這也就意味著存在著兩個不同的例項物件鎖，因此t1和t2都會進入各自的物件鎖，也就是說t1和t2執行緒使用的是不同的鎖，因此執行緒安全是無法保證的。
小A：對對對，沒錯。那解決這種問題，是不是需要用第二種加鎖的方式，鎖住這個類？
MDove：沒錯，解決這種困境的的方式是將synchronized作用於靜態的add方法，這樣的話，物件鎖就當前類，因為類物件只有一個，因此無論new多少個例項物件都是安全的：
小A：那是不是這樣改寫就可以了？
public static synchronized void add(){
i++;
}
複製程式碼
MDove：沒錯就是這樣，很簡單。接下來讓我們看一些深入的內容，鎖的實現。
synchronized鎖的底層實現
MDove：我們都知道，物件被建立在堆中。並且物件在記憶體中的儲存佈局方式可以分為3塊區域：物件頭、例項資料、對齊填充。其中物件頭，便是我們今天的主角。
關於例項資料、對齊填充的作用，各位小夥伴可以參考《深入理解Java虛擬機器》。
MDove：對於物件頭來說，主要是包括倆部分資訊：
- 1、自身執行時的資料，比如：鎖狀態標誌、執行緒持有的鎖...等等。（此部分內容被稱之為Mark Word）
| 儲存內容 | 標誌位 | 狀態 |
|---|---|---|
| 物件雜湊碼、物件分代年齡 | 01 | 未鎖定 |
| 指向鎖記錄的指標 | 00 | 輕量級鎖定 |
| 指向重量級鎖的指標 | 10 | 重量級鎖定 |
| 空 | 11 | GC標記 |
| 偏向執行緒ID、偏向時間戳、物件分代年齡 | 01 | 可偏向 |
今天我們只聊： 指向重量級鎖的指標
- 2、另一部分是型別指標：JVM通過這個指標來確定這個物件是哪個類的例項。
MDove：今天我們主要聊的是物件頭，第一部分中 重量級鎖 的內容。
MDove：先讓我們從巨集觀的角度看一看synchronized鎖的實現原理。
synchronized鎖的巨集觀實現
MDove：synchronized的物件鎖，其指標指向的是一個monitor物件（由C++實現）的起始地址。每個物件例項都會有一個 monitor。其中monitor可以與物件一起建立、銷燬；亦或者當執行緒試圖獲取物件鎖時自動生成。
monitor是由ObjectMonitor實現（ObjectMonitor.hpp檔案，C++實現的），對於我們來說主要關注的是如下程式碼：
ObjectMonitor() {
// 省略部分變數
_count= 0;
_owner= NULL;
_WaitSet= NULL;
_WaitSetLock= 0 ;
_EntryList= NULL ;
}
複製程式碼
MDove：我們可以看到這裡定義了_WaitSet 和 _EntryList倆個佇列，其中_WaitSet 用來儲存每個等待鎖的執行緒物件。
小A：那_EntryList呢？
MDove：彆著急，讓我們先看一下_owner，它指向持有ObjectMonitor物件的執行緒。當多個執行緒同時訪問一段同步程式碼時，會先存放到 _EntryList 集合中，接下來當執行緒獲取到物件的monitor時，就會把_owner變數設定為當前執行緒。同時count變數+1。如果執行緒呼叫wait() 方法，就會釋放當前持有的monitor，那麼_owner變數就會被置為null，同時_count減1，並且該執行緒進入 WaitSet集合中，等待下一次被喚醒。
MDove：當然，若當前執行緒順利執行完方法，也將釋放monitor，重走一遍剛才的內容，也就是_owner變數就會被置為null，同時_count減1，並且該執行緒進入 WaitSet集合中，等待下一次被喚醒。
因為這個鎖物件存放在物件本身，也就是為什麼Java中任意物件可以作為鎖的原因。
synchronized程式碼塊的底層實現
MDove：咱們先寫一個簡單的demo，然後看一下它們的位元組碼：
private int i = 0;
public void fun() {
synchronized (this) {
i++;
}
}
複製程式碼
MDove：根據虛擬機器規範要求，在執行monitorenter指令時，首先要嘗試獲取物件鎖，也就是上文我們提到了monitor物件。如果這個物件沒有被鎖定，或者當前執行緒已經擁有了這個物件的鎖，那麼就把鎖的計數器（_count）加1。當然與之對應執行monitorexit指令時，鎖的計數器（_count）也會減1。
MDove：如果當前執行緒獲取鎖失敗，那麼就會被阻塞住，進入_WaitSet 中，等待鎖被釋放為止。
小A：等等，我看到位元組碼中，有倆個monitorexit指令，這是為什麼呢？
MDove：是這樣的，編譯器需要確保方法中呼叫過的每條monitorenter指令都要執行對應的monitorexit 指令。為了保證在方法異常時，monitorenter和monitorexit指令也能正常配對執行，編譯器會自動產生一個異常處理器，它的目的就是用來執行 異常的monitorexit指令。而位元組碼中多出的monitorexit指令，就是異常結束時，被執行用來釋放monitor的。
小A：我們剛才看的是同步程式碼塊的原理，那麼直接修飾在方法上呢？也是通過這個倆個指令嗎？
MDove：你別說，還真不是：
public synchronized void fun() {
i++;
}
複製程式碼
MDove：可以看到：位元組碼中並沒有monitorenter指令和monitorexit指令，取得代之的是ACC_SYNCHRONIZED標識，JVM通過ACC_SYNCHRONIZED標識，就可以知道這是一個需要同步的方法，進而執行上述同步的過程，也就是_count加1，這些過程。
小A：哦，原來是這樣。一個是用了指令，一個是用的標識呀~對了，我聽說synchronized的效能特別低是這樣麼？
MDove：這句話不全對，JDK1.5後對synchronized進行了大刀闊斧的優化，這其中涉及到偏向鎖、輕量級鎖、自旋鎖、鎖消除等手段。時候也不早了，這些內容今天就不展開了。有機會我們下次再學習吧~