Java同步机制的底层实现("Java 同步机制底层原理详解")

一、Java同步机制的概述

Java同步机制是Java多线程编程中用于控制多个线程对共享资源访问的一种机制。在Java中，synchronized关键字和java.util.concurrent包中的各种同步工具类（如ReentrantLock、Semaphore等）都是同步机制的实现方法。本文将深入探讨Java同步机制的底层实现原理。

二、synchronized关键字

synchronized关键字是Java中实现同步的一种单纯方法。它可以修饰方法或代码块，确保同一时刻只有一个线程可以执行被synchronized修饰的代码。

2.1 同步方法的底层实现

同步方法在底层是通过JVM的锁机制来实现的。当一个线程尝试进入同步方法时，JVM会为该方法生成一个锁（Monitor），然后执行以下步骤：

• 1. 检查锁是否已经被其他线程持有。
• 2. 如果锁未被持有，则当前线程获得锁并执行同步方法。
• 3. 如果锁已被其他线程持有，当前线程将被阻塞，等待锁释放。
• 4. 当持有锁的线程执行完毕，释放锁，其他被阻塞的线程将有机会获得锁并执行。

2.2 同步代码块的底层实现

同步代码块也是通过JVM的锁机制实现的，但与同步方法不同的是，同步代码块可以指定锁对象。以下是同步代码块在底层实现的步骤：

• 1. 线程进入同步代码块前，检查指定锁对象是否已被其他线程持有。
• 2. 如果锁未被持有，当前线程获得锁并执行同步代码块。
• 3. 如果锁已被其他线程持有，当前线程将被阻塞，等待锁释放。
• 4. 当持有锁的线程执行完毕，释放锁，其他被阻塞的线程将有机会获得锁并执行。

三、Java对象头与锁

在Java中，对象头的Mark Word部分用于存储锁状态信息。Mark Word的结构如下：

    32位系统:
    +-------------------+-------------------+-------------------+-------------------+
    | lock state        | lock state        | lock state        | lock state        |
    +-------------------+-------------------+-------------------+-------------------+
    | hash              | hash              | hash              | hash              |
    +-------------------+-------------------+-------------------+-------------------+
    | Java type         | Java type         | Java type         | Java type         |
    +-------------------+-------------------+-------------------+-------------------+
    | array length      | array length      | array length      | array length      |
    +-------------------+-------------------+-------------------+-------------------+

64位系统:

    +-------------------+-------------------+-------------------+-------------------+
    | lock state        | lock state        | lock state        | lock state        |
    +-------------------+-------------------+-------------------+-------------------+
    | hash              | hash              | hash              | hash              |
    +-------------------+-------------------+-------------------+-------------------+
    | Java type         | Java type         | Java type         | Java type         |
    +-------------------+-------------------+-------------------+-------------------+
    | array length      | array length      | array length      | array length      |
    +-------------------+-------------------+-------------------+-------------------+

Mark Word中存储的锁状态信息包括：轻量级锁、重量级锁、偏向锁、自旋锁等。下面分别介绍这些锁的底层实现。

3.1 轻量级锁

轻量级锁是JVM为了缩减锁的开销而引入的一种锁优化技术。当线程尝试获取一个未被其他线程持有的锁时，会使用CAS操作在Mark Word中设置锁状态，并将线程的指针指向当前线程。以下是轻量级锁的底层实现步骤：

    1. 当线程尝试获取锁时，使用CAS操作将Mark Word中的锁状态设置为轻量级锁状态，并将线程的指针指向当前线程。
    2. 如果CAS操作胜利，当前线程获得锁并执行同步代码。
    3. 当持有锁的线程执行完毕，释放锁，将Mark Word中的锁状态恢复为无锁状态。

3.2 重量级锁

当轻量级锁竞争激烈时，JVM会升级为重量级锁。重量级锁的实现依存于操作系统提供的互斥量（Mutex）。以下是重量级锁的底层实现步骤：

    1. 当线程尝试获取锁时，首先检查Mark Word中的锁状态。
    2. 如果锁状态为无锁或轻量级锁，尝试使用CAS操作将锁状态升级为重量级锁。
    3. 如果CAS操作胜利，当前线程将锁对象与操作系统互斥量相关性，并阻塞其他线程。
    4. 当持有锁的线程执行完毕，释放锁，将Mark Word中的锁状态恢复为无锁状态，并唤醒其他被阻塞的线程。

3.3 偏向锁

偏向锁是JVM为了缩减无竞争场景下的锁开销而引入的一种锁优化技术。当线程第一次获取锁时，JVM会记录锁的持有者，后续只有该线程尝试获取锁时，才会胜利。以下是偏向锁的底层实现步骤：

    1. 当线程尝试获取锁时，检查Mark Word中的锁状态。
    2. 如果锁状态为无锁，使用CAS操作将锁状态设置为偏向锁状态，并记录当前线程为锁的持有者。
    3. 如果当前线程是锁的持有者，直接获得锁并执行同步代码。
    4. 当持有锁的线程执行完毕，释放锁，将Mark Word中的锁状态恢复为无锁状态。

3.4 自旋锁

自旋锁是JVM为了缩减线程在等待锁时的开销而引入的一种锁优化技术。当线程尝试获取锁时，会循环检查锁是否可用，而不是直接阻塞。以下是自旋锁的底层实现步骤：

    1. 当线程尝试获取锁时，检查Mark Word中的锁状态。
    2. 如果锁状态为无锁，使用CAS操作将锁状态设置为自旋锁状态。
    3. 当前线程循环检查锁是否可用，如果锁可用，则获得锁并执行同步代码。
    4. 当持有锁的线程执行完毕，释放锁，将Mark Word中的锁状态恢复为无锁状态。

四、Java并发工具类

除了synchronized关键字外，Java还提供了java.util.concurrent包，其中包含了一系列并发工具类，如ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch等。这些工具类在底层也是通过JVM的锁机制实现的，但提供了更多彩的功能。

4.1 ReentrantLock

ReentrantLock是Java中的一种可重入锁，它提供了与synchronized关键字类似的同步功能，但具有更高的灵活性。以下是ReentrantLock的底层实现步骤：

    1. 当线程尝试获取锁时，ReentrantLock会使用CAS操作在锁对象中设置锁状态。
    2. 如果CAS操作胜利，当前线程获得锁并执行同步代码。
    3. 当持有锁的线程执行完毕，释放锁，将锁对象中的锁状态恢复为无锁状态。

4.2 Semaphore

Semaphore是一个计数信号量，它允许一定数量的线程同时访问共享资源。以下是Semaphore的底层实现步骤：

    1. 当线程尝试获取信号量时，Semaphore会检查当前可用信号量的数量。
    2. 如果信号量数量大于0，使用CAS操作缩减信号量数量，并允许当前线程访问共享资源。
    3. 如果信号量数量为0，当前线程将被阻塞，等待其他线程释放信号量。
    4. 当持有信号量的线程执行完毕，释放信号量，增多信号量数量，并唤醒其他被阻塞的线程。

4.3 CountDownLatch

CountDownLatch是一个倒计时计数器，它允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。以下是CountDownLatch的底层实现步骤：

    1. CountDownLatch初始化时，设置一个计数器的初始值。
    2. 当线程执行完毕时，使用CAS操作缩减计数器的值。
    3. 当计数器的值减为0时，唤醒所有等待的线程。
    4. 等待的线程在CountDownLatch上调用await()方法，如果计数器的值不为0，则线程将被阻塞。

五、总结

Java同步机制是Java多线程编程中至关重要的一部分。本文详细介绍了synchronized关键字、Java对象头与锁、以及Java并发工具类的底层实现原理。懂得这些底层原理有助于我们更好地使用Java同步机制，尽大概缩减损耗多线程程序的性能和稳定性。

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