synchronized作為Java程式員最常用同步工具，很多人卻對它的用法和實現原理一知半解，以至於還有不少人認為synchronized是重量級鎖，性能較差，儘量少用。 但不可否認的是synchronized依然是併發首選工具，連volatile、CAS、ReentrantLock都無法動搖s... ...
synchronized作為Java程式員最常用同步工具，很多人卻對它的用法和實現原理一知半解，以至於還有不少人認為synchronized是重量級鎖，性能較差，儘量少用。
但不可否認的是synchronized依然是併發首選工具，連volatile、CAS、ReentrantLock都無法動搖synchronized的地位。synchronized是工作面試中的必備技能，今天就跟著一燈一塊深入剖析synchronized的底層原理。
1. synchronized作用
synchronized是Java提供一種隱式鎖，無需開發者手動加鎖釋放鎖。保證多線程併發情況下數據的安全性，實現了同一個時刻只有一個線程能訪問資源，其他線程只能阻塞等待，簡單說就是互斥同步。
2. synchronized用法
先看一下synchronized有哪幾種用法？
| 使用位置 | 被鎖對象 | 示例代碼 |
|---|---|---|
| 實例方法 | 實例對象 |
public synchronized void method() { …… } |
| 靜態方法 | class類 |
public static synchronized void method() { …… } |
| 實例對象 | 實例對象 |
public void method() { Object obj = new Object(); synchronized (obj) { …… } } |
| 類對象 | class類 |
public void method() { synchronized (Demo.class) { …… } } |
| this關鍵字 | 實例對象 |
public void method() { synchronized (this) { …… } } |
可以看到被鎖對象只要有兩種，實例對象和class類。
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由於靜態方法可以通過類名直接訪問，所以它跟直接加鎖在class類上是一樣的。
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當在實例方法、實例對象、this關鍵字上面加鎖的時候，鎖定範圍都是當前實例對象。
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實例對象上面的鎖和class類上面的鎖，兩者不互斥。
3. synchronized加鎖原理
當我們使用synchronized在方法和對象上加鎖的時候，Java底層到底怎麼實現加鎖的？
當在類對象上加鎖的時候，也就是在class類加鎖，代碼如下：
/**
* @author 一燈架構
* @apiNote Synchronized示例
**/
public class SynchronizedDemo {
public void method() {
synchronized (SynchronizedDemo.class) {
System.out.println("Hello world!");
}
}
}
反編譯一下，看一下源碼實現：
可以看到，底層是通過monitorenter和monitorexit兩個關鍵字實現的加鎖與釋放鎖，執行同步代碼之前使用monitorenter加鎖，執行完同步代碼使用monitorexit釋放鎖，拋出異常的時候也是用monitorexit釋放鎖。
寫成偽代碼，類似下麵這樣：
/**
* @author 一燈架構
* @apiNote Synchronized示例
**/
public class SynchronizedDemo {
public void method() {
try {
monitorenter 加鎖;
System.out.println("Hello world!");
monitorexit 釋放鎖;
} catch (Exception e) {
monitorexit 釋放鎖;
}
}
}
當在實例方法上加鎖，底層是怎麼實現的呢？代碼如下：
/**
* @author 一燈架構
* @apiNote Synchronized示例
**/
public class SynchronizedDemo {
public static synchronized void method() {
System.out.println("Hello world!");
}
}
再反編譯看一下底層實現：
這次只使用了一個ACC_SYNCHRONIZED關鍵字，實現了隱式的加鎖與釋放鎖。其實無論是ACC_SYNCHRONIZED關鍵字，還是monitorenter和monitorexit，底層都是通過獲取monitor鎖來實現的加鎖與釋放鎖。
而monitor鎖又是通過ObjectMonitor來實現的，虛擬機中ObjectMonitor數據結構如下（C++實現的）：
ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0; // WaitSet 和 EntryList 的節點數之和
_waiters = 0,
_recursions = 0; // 重入次數
_object = NULL;
_owner = NULL; // 持有鎖的線程
_WaitSet = NULL; // 處於wait狀態的線程，會被加入到_WaitSet
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ; // 多個線程爭搶鎖，會先存入這個單向鏈表
FreeNext = NULL ;
_EntryList = NULL ; // 處於等待鎖block狀態的線程，會被加入到該列表
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
}
圖上展示了ObjectMonitor的基本工作機制：
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當多個線程同時訪問一段同步代碼時，首先會進入 _EntryList 隊列中等待。
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當某個線程獲取到對象的Monitor鎖後進入臨界區域，並把Monitor中的 _owner 變數設置為當前線程，同時Monitor中的計數器 _count 加1。即獲得對象鎖。
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若持有Monitor的線程調用 wait() 方法，將釋放當前持有的Monitor鎖，_owner變數恢復為null，_count減1，同時該線程進入 _WaitSet 集合中等待被喚醒。
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在_WaitSet 集合中的線程會被再次放到_EntryList 隊列中，重新競爭獲取鎖。
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若當前線程執行完畢也將釋放Monitor並複位變數的值，以便其他線程進入獲取鎖。
線程爭搶鎖的過程要比上面展示得更加複雜。除了_EntryList 這個雙向鏈表用來保存競爭的線程，ObjectMonitor中還有另外一個單向鏈表 _cxq，由兩個隊列來共同管理併發的線程。
下篇再講一下Synchronized鎖優化的過程。
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