14 - Java虚拟机是怎么实现synchronized的？

[睿驰]

在 Java 程序中，我们可以利用 synchronized 关键字来对程序进行加锁。它既可以用来声明一个 synchronized 代码块，也可以直接标记静态方法或者实例方法。

当声明 synchronized 代码块时，编译而成的字节码将包含 monitorenter 和 monitorexit 指令。这两种指令均会消耗操作数栈上的一个引用类型的元素（也就是 synchronized 关键字括号里的引用），作为所要加锁解锁的锁对象。

  public void foo(Object lock) {
    synchronized (lock) {
      lock.hashCode();
    }
  }
  // 上面的Java代码将编译为下面的字节码
  public void foo(java.lang.Object);
    Code:
       0: aload_1
       1: dup
       2: astore_2
       3: monitorenter
       4: aload_1
       5: invokevirtual java/lang/Object.hashCode:()I
       8: pop
       9: aload_2
      10: monitorexit
      11: goto          19
      14: astore_3
      15: aload_2
      16: monitorexit
      17: aload_3
      18: athrow
      19: return
    Exception table:
       from    to  target type
           4    11    14   any
          14    17    14   any

我在文稿中贴了一段包含 synchronized 代码块的 Java 代码，以及它所编译而成的字节码。你可能会留意到，上面的字节码中包含一个 monitorenter 指令以及多个 monitorexit 指令。这是因为 Java 虚拟机需要确保所获得的锁在正常执行路径，以及异常执行路径上都能够被解锁。

这里 monitorenter 和 monitorexit 操作所对应的锁对象是隐式的。对于实例方法来说，这两个操作对应的锁对象是 this；对于静态方法来说，这两个操作对应的锁对象则是所在类的 Class 实例。

关于 monitorenter 和 monitorexit 的作用，我们可以抽象地理解为每个锁对象拥有一个锁计数器和一个指向持有该锁的线程的指针。

当执行 monitorenter 时，如果目标锁对象的计数器为 0，那么说明它没有被其他线程所持有。在这个情况下，Java 虚拟机会将该锁对象的持有线程设置为当前线程，并且将其计数器加 1。

在目标锁对象的计数器不为 0 的情况下，如果锁对象的持有线程是当前线程，那么 Java 虚拟机可以将其计数器加 1，否则需要等待，直至持有线程释放该锁。

当执行 monitorexit 时，Java 虚拟机则需将锁对象的计数器减 1。当计数器减为 0 时，那便代表该锁已经被释放掉了。

之所以采用这种计数器的方式，是为了允许同一个线程重复获取同一把锁。举个例子，如果一个 Java 类中拥有多个 synchronized 方法，那么这些方法之间的相互调用，不管是直接的还是间接的，都会涉及对同一把锁的重复加锁操作。因此，我们需要设计这么一个可重入的特性，来避免编程里的隐式约束。

说完抽象的锁算法，下面我们便来介绍 HotSpot 虚拟机中具体的锁实现。

重量级锁

轻量级锁

Java 虚拟机也存在着类似的情形：多个线程在不同的时间段请求同一把锁，也就是说没有锁竞争。针对这种情形，Java 虚拟机采用了轻量级锁，来避免重量级锁的阻塞以及唤醒。

在介绍轻量级锁的原理之前，我们先来了解一下 Java 虚拟机是怎么区分轻量级锁和重量级锁的。

在对象内存布局那一篇中我曾经介绍了对象头中的标记字段（mark word）。它的最后两位便被用来表示该对象的锁状态。其中，00 代表轻量级锁，01 代表无锁（或偏向锁），10 代表重量级锁，11 则跟垃圾回收算法的标记有关。

当进行加锁操作时，Java 虚拟机会判断是否已经是重量级锁。如果不是，它会在当前线程的当前栈桢中划出一块空间，作为该锁的锁记录，并且将锁对象的标记字段复制到该锁记录中。然后，Java 虚拟机会尝试用 CAS（compare-and-swap）操作替换锁对象的标记字段。这里解释一下，CAS 是一个原子操作，它会比较目标地址的值是否和期望值相等，如果相等，则替换为一个新的值。

偏向锁

如果说轻量级锁针对的情况很乐观，那么接下来的偏向锁针对的情况则更加乐观：从始至终只有一个线程请求某一把锁。

总结与实践

今天我介绍了 Java 虚拟机中 synchronized 关键字的实现，按照代价由高至低可分为重量级锁、轻量级锁和偏向锁三种。

重量级锁会阻塞、唤醒请求加锁的线程。它针对的是多个线程同时竞争同一把锁的情况。Java 虚拟机采取了自适应自旋，来避免线程在面对非常小的 synchronized 代码块时，仍会被阻塞、唤醒的情况。

轻量级锁采用 CAS 操作，将锁对象的标记字段替换为一个指针，指向当前线程栈上的一块空间，存储着锁对象原本的标记字段。它针对的是多个线程在不同时间段申请同一把锁的情况。

偏向锁只会在第一次请求时采用 CAS 操作，在锁对象的标记字段中记录下当前线程的地址。在之后的运行过程中，持有该偏向锁的线程的加锁操作将直接返回。它针对的是锁仅会被同一线程持有的情况。