面试突击39：synchronized底层是如何实现的？

想了解 synchronized 是如何运行的？就要先搞清楚 synchronized 是如何实现？
synchronized 同步锁是通过 JVM 内置的 Monitor 监视器实现的，而监视器又是依赖操作系统的互斥锁 Mutex 实现的，那接下来我们先来了解一下监视器。

监视器

监视器是一个概念或者说是一个机制，它用来保障在任何时候，只有一个线程能够执行指定区域的代码。

一个监视器像是一个建筑，建筑里有一个特殊的房间，这个房间同一时刻只能被一个线程所占有。一个线程从进入该房间到离开该房间，可以全程独占该房间的所有数据。进入该建筑叫做进入监视器（entering the monitor），进入该房间叫做获得监视器（acquiring the monitor），独自占有该房间叫做拥有监视器（owning the monitor），离开该房间叫做释放监视器（releasing the monitor），离开该建筑叫做退出监视器（exiting the monitor）。

严格意义来说监视器和锁的概念是不同的，但很多地方也把二者相互指代。

底层实现

下面我们在代码中添加一个 synchronized 代码块，来观察一下它在字节码层面是如何实现的？示例代码如下：

public class SynchronizedToMonitorExample {
    public static void main(String[] args) {
        int count = 0;
        synchronized (SynchronizedToMonitorExample.class) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                count++;
            }
        }
        System.out.println(count);
    }
}

当我们将上述代码编译成字节码之后，得到的结果是这样的：

从上述结果我们可以看出，在 main 方法中多了一对 monitorenter 和 monitorexit 的指令，它们的含义是：

monitorenter：表示进入监视器。
monitorexit：表示退出监视器。

由此可知 synchronized 是依赖 Monitor 监视器实现的。

执行流程

在 Java 中，synchronized 是非公平锁，也是可以重入锁。
所谓的非公平锁是指，线程获取锁的顺序不是按照访问的顺序先来先到的，而是由线程自己竞争，随机获取到锁。
可重入锁指的是，一个线程获取到锁之后，可以重复得到该锁。这些内容是理解接下来内容的前置知识。
在 HotSpot 虚拟机中，Monitor 底层是由 C++实现的，它的实现对象是 ObjectMonitor，ObjectMonitor 结构体的实现如下：

ObjectMonitor::ObjectMonitor() {  
  _header       = NULL;  
  _count       = 0;  
  _waiters      = 0,  
  _recursions   = 0;       //线程的重入次数
  _object       = NULL;  
  _owner        = NULL;    //标识拥有该monitor的线程
  _WaitSet      = NULL;    //等待线程组成的双向循环链表，_WaitSet是第一个节点
  _WaitSetLock  = 0 ;  
  _Responsible  = NULL ;  
  _succ         = NULL ;  
  _cxq          = NULL ;    //多线程竞争锁进入时的单向链表
  FreeNext      = NULL ;  
  _EntryList    = NULL ;    //_owner从该双向循环链表中唤醒线程结点，_EntryList是第一个节点
  _SpinFreq     = 0 ;  
  _SpinClock    = 0 ;  
  OwnerIsThread = 0 ;  
}

在以上代码中有几个关键的属性：

_count：记录该线程获取锁的次数（也就是前前后后，这个线程一共获取此锁多少次）。
_recursions：锁的重入次数。
_owner：The Owner 拥有者，是持有该 ObjectMonitor（监视器）对象的线程；
_EntryList：EntryList 监控集合，存放的是处于阻塞状态的线程队列，在多线程下，竞争失败的线程会进入 EntryList 队列。
_WaitSet：WaitSet 待授权集合，存放的是处于 wait 状态的线程队列，当线程执行了 wait() 方法之后，会进入 WaitSet 队列。

监视器执行的流程如下：

线程通过 CAS（对比并替换）尝试获取锁，如果获取成功，就将 _owner 字段设置为当前线程，说明当前线程已经持有锁，并将 _recursions 重入次数的属性 +1。如果获取失败则先通过自旋 CAS 尝试获取锁，如果还是失败则将当前线程放入到 EntryList 监控队列（阻塞）。
当拥有锁的线程执行了 wait 方法之后，线程释放锁，将 owner 变量恢复为 null 状态，同时将该线程放入 WaitSet 待授权队列中等待被唤醒。
当调用 notify 方法时，随机唤醒 WaitSet 队列中的某一个线程，当调用 notifyAll 时唤醒所有的 WaitSet 中的线程尝试获取锁。
线程执行完释放了锁之后，会唤醒 EntryList 中的所有线程尝试获取锁。

以上就是监视器的执行流程，执行流程如下图所示：

总结

synchronized 同步锁是通过 JVM 内置的 Monitor 监视器实现的，而监视器又是依赖操作系统的互斥锁 Mutex 实现的。JVM 监视器的执行流程是：线程先通过自旋 CAS 的方式尝试获取锁，如果获取失败就进入 EntrySet 集合，如果获取成功就拥有该锁。当调用 wait() 方法时，线程释放锁并进入 WaitSet 集合，等其他线程调用 notify 或 notifyAll 方法时再尝试获取锁。锁使用完之后就会通知 EntrySet 集合中的线程，让它们尝试获取锁。