java synchronize - 線程同步機制

EscapedDog 發布于2019-08-16 13:49 / 1893人閱讀

摘要：就像是擁有一個特殊房間的建筑，在同一時間里，這間特殊的房間只能被一個線程擁有。當線程獲得這就是一個信號，線程開始擁有的所有權，能夠繼續執行。注意到的以及要喚醒的對象就處于換句話說，如果退出的線程沒有執行那么只有能夠獲取執行的權限。

Java支持同步機制的是Monitor。Monitor就像是擁有一個特殊房間的建筑，在同一時間里，這間特殊的房間只能被一個線程擁有。

enter the monitor:進入這幢建筑

acquiring the monitor:進入建筑里的特殊房間

owning the monitor:擁有特殊房間的所有權

releasing the monitor:離開特殊的房間

exiting the monitor:離開這幢建筑

Monitor支持兩種同步機制：

互斥：通過對象鎖，使得多線程處理能互相獨立的處理共享數據，而不會發生線程不安全

協作：通過對象的wait和notify方法實現，比如一個讀的線程從緩沖區讀數據，另一個線程負責往緩沖區寫數據，如果緩沖區沒有數據，則讀線程阻塞，有數據時，讀線程就要開始消費

wait-notify又可以稱作’Singal-continue’。當線程獲得 notify,這就是一個信號，線程開始擁有 monitor的所有權，能夠 繼續 執行 monitor region。執行完之后，此線程釋放monitor,一個等待的線程則會獲得一樣的機會

Monitor的模型如下：

1 表示線程剛到達 monitor region ,即 enter the monitor
2 表示線程獲取 monitor的所有權，即acquiring the monitor
3 表示線程執行了 wait,交出所有權，即releasing the monitor
4 表示原來擁有 monitor 的線程執行了 notify ,恰好被這個線程獲取所有權
5 表示線程執行完了 monitor region,即exiting the monitor

Monitor特意把等待的線程分成了兩個部分，Entry Set和Wait Set,Entry Set表示線程剛執行到 Monitor region,而Wait Set則是由于線程執行了wait方法而進入的區域。注意到Object的 notify 以及 notifyAll 要喚醒的對象就處于 Wait Set,換句話說，如果退出 monitor 的線程沒有執行 notify/notifyAll ,那么只有 Entry Set 能夠獲取執行的權限。如果執行了，則Entry Set和Wait Set中所有的線程都會競爭誰最終能夠獲取 monitor 的能力

一個線程要離開Wait Set,要么是原擁有 monitor 的線程執行了 notify/notifyAll,要么是wait的時間到了，JVM 會觸發一個notify

對象鎖

Java能夠共享的數據包括兩部分：

實例對象：存儲在堆中

類實例：存儲在方法區，當鎖一個類的時候，實際上就是鎖類的 Class 對象

對于局部變量，他們存儲在棧中，屬于線程私有，不會存在共享一說。
單個線程可以同時鎖住一個對象多次，JVM會記住鎖住的總次數，每一次釋放鎖，總次數減一，只有在這個次數變成0的時候，這個鎖才有可能被其它線程持有

monitor region 標識的方式

同步代碼塊

同步方法

JVM使用的指令為

monitorenter 獲取引用對象的鎖

monitorexit 是否在monitorenter處獲得的對象鎖

同步代碼塊

public class SynchronizedTest {
    private  int i=0;
    public void syn(){
        synchronized (this){
            i++;
        }
    }
}

javap -c SynchronizedTest.class 執行后對應的指令如下

public class main.lockTest.SynchronizedTest {
  public main.lockTest.SynchronizedTest();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
       4: aload_0
       5: iconst_0
       6: putfield      #2                  // Field i:I
       9: return

  public void syn();
    Code:
       0: aload_0    // aload_0 屬于 aload_ 系列指令的一種。表示獲取一個本地變量的引用，然后放入棧中
       1: dup        //彈出棧頂的單字節，然后入棧兩次，相當于拷貝了棧頂元素
       2: astore_1        // astore_系列指令的一種。從棧頂獲取對象的引用，并存入本地變量
       3: monitorenter      //獲取引用對象的鎖
       4: aload_0
       5: dup
       6: getfield      #2                  // Field i:I  從棧中獲取對象的引用，然后得到它的值
       9: iconst_1        // iconst_ 的一種，將常量放入棧中
      10: iadd            // 從操作棧中彈出兩個integer,把他們相加，然后將結果重新存入棧中
      11: putfield      #2                  // Field i:I  將值存入引用對象
      14: aload_1
      15: monitorexit    // 釋放引用對象的鎖
      16: goto          24 // 跳轉到下一個指令的位置
      19: astore_2
      20: aload_1
      21: monitorexit
      22: aload_2
      23: athrow    //從操作棧中刪掉對象的引用，并拋出這個對象的異常
      24: return     //執行返回
    Exception table:
       from    to  target type
           4    16    19   any
          19    22    19   any
}

注意到，如果拋出了異常，也會執行 monitorexit 。印證了無論如何，只要離開了monitor region，鎖都會被釋放

同步方法

public class SynchronizedTest {
    private  int i=0;
    public synchronized void syn(int i){
            i++;
    }
}

對應指令如下

public class main.lockTest.SynchronizedTest {
  public main.lockTest.SynchronizedTest();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
       4: aload_0
       5: iconst_0
       6: putfield      #2                  // Field i:I
       9: return

  public synchronized void syn(int);
    Code:
       0: iinc          1, 1
       3: return
}

可以看到兩個區別

在方法上使用 synchronized 沒有用到 monitorenter / monitorexit 指令。這是因為在方法上使用synchronized并不需要一個本地變量槽(slot)來存儲鎖對象

方法上使用沒有創建一個異常表

synchronize原理
java 虛擬機指令

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