深入解析synchronized实现原理，如何保证原子性、有序性和可见性？

世界上并没有完美的程序，但我们并不因此而沮丧，因为写程序本来就是一个不断追求完美的过程。

前言

我在上一篇文章简单的介绍了一些synchronized关键字的知识点和用法（有兴趣的可以点这里，传送门biubiu），而这篇文章主要介绍synchronized底层实现，还有它是如何保证原子性、有序性和可见性的。
在进入正题之前，我先铺垫一下，举个小栗子：
看代码：

public class Demo {
     

    public synchronized void method1() {
     
        System.out.println("Hello, do method1.");
        
        //模拟网络IO
        try {
     
            Thread.sleep(50);
        } catch (InterruptedException e) {
     
            e.printStackTrace();
        }
        
        System.out.println("Finish doing method1.");
    }

    public synchronized void method2() {
     
        System.out.println("Hey, do method2.");
    }


    public void method3() {
     
        System.out.println("Let's do method3.");
    }
}

先说结论：如果一个对象有多个被synchronized修饰的方法，只要有一个线程访问了其中一个synchronized方法，那么其他线程则不能同时访问这个对象中任何一个synchronized方法，但是对于这个对象的其他的非synchronized修饰的方法，其他线程仍旧可以访问到。还有一点需要注意的是，不同对象实例的synchronized方法是互不干预的，其它线程可以同时访问此类下的另一个对象实例中的synchronized方法。

验证结论，测试代码-1：

        Demo demo = new Demo();
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(9);
        for (int i = 0; i< 3; i++) {
     
            executor.execute(demo::method1);
        }
        for (int i = 0; i< 3; i++) {
     
            executor.execute(demo::method2);
        }
        for (int i = 0; i< 3; i++) {
     
            executor.execute(demo::method3);
        }

运行结果-1：
从上面的运行结果可以看出，method3()的执行完全没受到method1()的影响，但是它影响到了method2()的执行，method2()的执行在method1()执行完成释放完锁之后。

测试代码-2：

        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(9);
        for (int i = 0; i< 3; i++) {
     
            executor.execute(new Demo()::method1);
        }
        for (int i = 0; i< 3; i++) {
     
            executor.execute(new Demo()::method2);
        }
        for (int i = 0; i< 3; i++) {
     
            executor.execute(new Demo()::method3);
        }

运行结果-2：

从上面的运行结果可以看出，method1()、method2()和method3()的执行没有受到任何影响，这就说明了不同对象实例的synchronized方法是互不干预的。

synchronized实现原理

在此之前，需要知道部分JVM知识的，比如HotSpot虚拟机，下面截图来自《深入理解java虚拟机-第二版》：


如果还不是很清楚HotSpot虚拟机，用CMD命令输入java -version，就可以看到我们其实一直用的是它：

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

• 对象头：用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据官方称它为 “Mark Word”。五种状态（无锁、轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向）下对象头 Mark Word的存储内容：

存储内容	标志位	状态
对象哈希码、对象分代年龄	01	未锁定
指向锁记录的指针	00	轻量级锁定
指向重量级锁的指针	10	膨胀（重量级锁定）
空，不需要记录信息	11	GC标志
偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄	01	可偏向

• 实例数据：对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数和字段在Java源码中的定义顺序的影响，HotSpot虚拟机默认分配策略为longs/doubles、ints、shorts\chars、bytes\booleans、oops（Ordinary Object Pointers），从分配策略中就可以看出，相同宽度的字段总是被分配到一起。
• 对齐填充：这部分并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

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开始进入正题啦，来聊聊synchronized的实现原理，请看下面代码：

public class Demo2 {
     

    //同步方法
    public synchronized void method1() {
     
        // TODO: 2020/8/30
        System.out.println("Hello, do method1.");
    }

    public void method2() {
     
        //同步代码块
        synchronized (this) {
     
            // TODO: 2020/8/30
            System.out.println("Let's do method2.");
        }
    }
}

上面是两种最常使用synchronized的方式，执行"javap -c -v"命令进行反汇编，过滤掉其他无用的信息，反汇编结果如下：

public synchronized void method1();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #3                  // String Hello, do method1.
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return

public void method2();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter
         4: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         7: ldc           #5                  // String Let's do method2.
         9: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        12: aload_1
        13: monitorexit
        14: goto          22
        17: astore_2
        18: aload_1
        19: monitorexit
        20: aload_2
        21: athrow
        22: return

从上面反汇编结果可以看出：JVM对于同步方法和同步代码块的处理方式不同，对于同步方法，JVM采用ACC_SYNCHRONIZED标记符来实现同步，而对于同步代码块，JVM则采用 monitorenter和monitorexit 这两个指令实现同步。

• ACC_SYNCHRONIZED标记符

方法级的同步是隐式的。同步方法的常量池中会有一个ACC_SYNCHRONIZED标志。当某个线程要访问某个方法的时候，会检查是否有ACC_SYNCHRONIZED标志，如果有设置，则需要先获得监视器锁，然后开始执行方法，方法执行之后再释放监视器锁。这时如果其他线程来请求执行方法，会因为无法获得监视器锁而被阻断住。值得注意的是，如果在方法执行过程中，发生了异常，并且方法内部并没有处理该异常，那么在异常被抛到方法外面之前监视器锁会被自动释放。

• monitorenter和monitorexit 指令

可以把执行monitorenter指令理解为加锁，执行monitorexit理解为释放锁。 每个对象维护着一个记录着被锁次数的计数器。未被锁定的对象的该计数器为0，当一个线程获得锁（执行monitorenter）后，该计数器自增变为 1 ，当同一个线程再次获得该对象的锁的时候，计数器再次自增。当同一个线程释放锁（执行monitorexit指令）的时候，计数器再自减。当计数器为0的时候。锁将被释放，其他线程便可以获得锁。

但是细心的你是不是发现了上面出现了两条monitorexit 指令呢？这是为啥嘞？

是这样的，编译器需要确保方法中调用过的每条monitorenter指令都要执行对应的monitorexit 指令。为了保证在方法异常时，monitorenter和monitorexit指令也能正常配对执行，编译器会自动产生一个异常处理器，它的目的就是用来执行异常的monitorexit指令。而字节码中多出的monitorexit指令，就是异常结束时，被执行用来释放monitor的。

如何保证原子性、有序性和可见性？

• 原子性： 即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。
  Java内存模型提供了字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式的使用这两个操作，在synchronized块之间的操作是具备原子性的。

线程1在执行monitorenter指令的时候，会对Monitor进行加锁，加锁后其他线程无法获得锁，除非线程1主动解锁。即使在执行过程中，由于某种原因，比如CPU时间片用完，线程1放弃了CPU，但是它并没有进行解锁。而由于synchronized的锁是可重入的，下一个时间片还是只能被他自己获取到，还是会继续执行代码。直到所有代码执行完。这就保证了原子性。

• 有序性： 程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。
  在并发时，程序的执行可能会出现乱序。给人的直观感觉就是：写在前面的代码，会在后面执行。但是synchronized提供了有序性保证，这其实和as-if-serial语义有关。
  as-if-serial语义是指不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并行度），单线程程序的执行结果都不能被改变。编译器和处理器无论如何优化，都必须遵守as-if-serial语义。只要编译器和处理器都遵守了这个语义，那么就可以认为单线程程序是按照顺序执行的，由于synchronized修饰的代码，同一时间只能被同一线程访问。那么可以认为是单线程执行的。所以可以保证其有序性。

但是需要注意的是synchronized虽然能够保证有序性，但是无法禁止指令重排和处理器优化的。

• 可见性： 当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。
  被synchronized修饰的代码，在开始执行时会加锁，执行完成后会进行解锁，但在一个变量解锁之前，必须先把此变量同步回主存中，这样解锁后，后续其它线程就可以访问到被修改后的值，从而保证可见性。

非常感谢你能看到最后，如果能够帮助到你，是我的荣幸！

参考文章：

深入理解多线程（一）——Synchronized的实现原理
Java多线程：由浅入深看synchronized的底层实现原理