Synchronized的底层实现原理是什么

Synchronized的底层实现原理是什么，很多新手对此不是很清楚，为了帮助大家解决这个难题，下面小编将为大家详细讲解，有这方面需求的人可以来学习下，希望你能有所收获。

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(1)给静态方法加锁

public class Main {         public static synchronized void staticSynPrint(String str) {         System.out.println(str);     }  }

静态方法不属于任何一个实例，而是属于该类。不管该类被实例化多少次，静态成员只有一份。在同一时刻，不管是使用实例.staticSynPrint方式还是直接类名.staticSynPrint的方式，都会进行同步处理。

(2)给静态变量加锁

同(1)，他们都是该类的静态成员。

(3)synchronized(xxx.class)

public class Main {      public void classSynPrint(String str) {         synchronized (Main.class) {             System.out.println(str);         }     }  }

给当前类加锁(注意是当前类，不是实例对象)，会作用于该类的所有实例对象，多个线程访问Main类中的所有同步方法，都需要先进行同步处理。

(4)synchronized(this)

public class Main {      public void thisSynPrint(String str) {         synchronized (this) {             System.out.println(str);         }     }  }

this代表实例对象，因此现在锁住的是当前实例对象，因此多个线程访问不同实例的同步方法不需要进行同步。

(5)给实例方法加锁

public class Main {      public synchronized void synPrint(String str) {         System.out.println(str);     }  }

不同线程访问同一个实例底下的该方法，才会需要进行同步。

三、实际使用方式之一：单例模式中的双重检验锁

更多单例模式的种类可以参考我的另外一篇博文【设计模式】单例模式

public class SingletonDCL {     private volatile static SingletonDCL instance;      private SingletonDCL() {     }      public static SingletonDCL getInstance() {         if (instance == null) {             synchronized (Singleton.class) {                 if (instance == null) {                     instance = new SingletonDCL();                 }             }         }         return instance;     }  }

有几个疑问：

(1)这里为什么要检验两次null?

最初的想法，是直接利用synchronized将整个getInstance方法锁起来，但这样效率太低，考虑到实际代码更为复杂，我们应当缩小锁的范围。

在单例模式下，要的就是一个单例，new SingletonDCL()只能被执行一次。因此，现在初步考虑成以下的这种方式：

public static SingletonDCL getInstance() {        if (instance == null) {            synchronized (Singleton.class) {                    //一些耗时的操作                    instance = new SingletonDCL();            }        }        return instance;    }

但这样，存在一个问题。线程1判断instance为null，然后拿到锁，执行到了耗时的操作，阻塞了一会儿，还没有对instance进行实例化，instance还是为null。线程2判断instance为null，尝试去获取锁。线程1实例化instance之后，释放了锁。而线程2获取锁之后，同样进行了实例化操作。线程1和线程2拿到了两个不同的对象，违背了单例的原则。

因此，在获取锁之后，又进行了一次null检验。

(2)为什么使用volatile 修饰单例变量?

关于volatie和synchronized的区别，可以先参考我的另外一篇文章【JAVA】volatile和synchronized的区别

这段代码，instance = new SingletonDCL()，在虚拟机层面，其实分为了3个指令：

为instance分配内存空间，相当于堆中开辟出来一段空间

实例化instance，相当于在上一步开辟出来的空间上，放置实例化好的SingletonDCL对象

将instance变量引用指向第一步开辟出来的空间的首地址

但由于虚拟机做出的某些优化，可能会导致指令重排序，由1->2->3变成1->3->2。这种重新排序在单线程下不会有任何问题，但出于多线程的情况下，可能会出现以下的问题：

线程1获取锁之后，执行到了instance = new  SingletonDCL()阶段，此时，刚好由于虚拟机进行了指令重排序，先进行了第1步开辟内存空间，然后执行了第3步，instance指向空间首地址，第2步还没来得及执行，此时恰好有线程2执行getInstance方法，最外层判断instance不为null(instance已经指向了某一段地址，因此不为null)，直接返回了单例对象，接着线程2在获取单例对象属性的时候，出现了空指针错误!

因此使用volatile 修饰单例变量，可以避免由于虚拟机的指令重排序机制可能导致的空指针异常。

四、实现原理

这里可以分两种情况讨论：

(1)同步语句块

public class Main {      public static final Object object = new Object();      public void print() {         synchronized (object) {             System.out.println("123");         }     }  }

使用java Main.java，之后使用javap -c Main.class(-c代表反汇编)得到：

public class com.yang.testSyn.Main {   public static final java.lang.Object object;    public com.yang.testSyn.Main();     Code:        0: aload_0        1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V        4: return    public void print();     Code:        0: getstatic     #2                  // Field object:Ljava/lang/Object;        3: dup        4: astore_1        5: monitorenter        6: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;        9: ldc           #4                  // String 123       11: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V       14: aload_1       15: monitorexit       16: goto          24       19: astore_2       20: aload_1       21: monitorexit       22: aload_2       23: athrow       24: return     Exception table:        from    to  target type            6    16    19   any           19    22    19   any    static {};     Code:        0: new           #6                  // class java/lang/Object        3: dup        4: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V        7: putstatic     #2                  // Field object:Ljava/lang/Object;       10: return }

其中print方法中的第5行、15行出现了monitorenter和monitorexit，而这两行其中的字节码代表的正是同步语句块里的内容。

当线程执行到monitorenter时，代表即将进入到同步语句块中，线程首先需要去获得Object的对象锁，而对象锁处于每个java对象的对象头中，对象头中会有一个锁的计数器，当线程查询对象头中计数器，发现内容为0时，则代表该对象没有被任何线程所占有，此时该线程可以占有此对象，计数器于是加1。

线程占有该对象后，也就是拿到该对象的锁，可以执行同步语句块里面的方法。此时，如果有其他线程进来，查询对象头发现计数器不为0，于是进入该对象的锁等待队列中，一直阻塞到计数器为0时，方可继续执行。

第一个线程执行到enterexit后，释放了Object的对象锁，此时第二个线程可以继续执行。

这边依然有几个问题：

[1]为什么有一个monitorenter指令，却有两个monitorexit指令?

因为编译器必须保证，无论同步代码块中的代码以何种方式结束(正常 return 或者异常退出)，代码中每次调用 monitorenter 必须执行对应的  monitorexit 指令。为了保证这一点，编译器会自动生成一个异常处理器，这个异常处理器的目的就是为了同步代码块抛出异常时能执行  monitorexit。这也是字节码中，只有一个 monitorenter 却有两个 monitorexit 的原因。

当然这一点，也可以从Exception  table(异常表)中看出来，字节码中第6(from)到16(to)的偏移量中如果出现任何类型(type)的异常，都会跳转到第19(target)行。

(2)同步方法

public class Main {      public synchronized void print(String str) {         System.out.println(str);     }  }

使用javap -v Main.class查看

-v 选项可以显示更加详细的内容，比如版本号、类访问权限、常量池相关的信息，是一个非常有用的参数。

public class com.yang.testSyn.Main   minor version: 0   major version: 52   flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER Constant pool:    #1 = Methodref          #5.#14         // java/lang/Object."":()V    #2 = Fieldref           #15.#16        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;    #3 = Methodref          #17.#18        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V    #4 = Class              #19            // com/yang/testSyn/Main    #5 = Class              #20            // java/lang/Object    #6 = Utf8                   #7 = Utf8               ()V    #8 = Utf8               Code    #9 = Utf8               LineNumberTable   #10 = Utf8               print   #11 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V   #12 = Utf8               SourceFile   #13 = Utf8               Main.java   #14 = NameAndType        #6:#7          // "":()V   #15 = Class              #21            // java/lang/System   #16 = NameAndType        #22:#23        // out:Ljava/io/PrintStream;   #17 = Class              #24            // java/io/PrintStream   #18 = NameAndType        #25:#11        // println:(Ljava/lang/String;)V   #19 = Utf8               com/yang/testSyn/Main   #20 = Utf8               java/lang/Object   #21 = Utf8               java/lang/System   #22 = Utf8               out   #23 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;   #24 = Utf8               java/io/PrintStream   #25 = Utf8               println {   public com.yang.testSyn.Main();     descriptor: ()V     flags: ACC_PUBLIC     Code:       stack=1, locals=1, args_size=1          0: aload_0          1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V          4: return       LineNumberTable:         line 3: 0    public synchronized void print(java.lang.String);     descriptor: (Ljava/lang/String;)V     flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED     Code:       stack=2, locals=2, args_size=2          0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;          3: aload_1          4: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V          7: return       LineNumberTable:         line 32: 0         line 33: 7 }

只看最后两个方法，第一个方法是编译后自动生成的默认构造方法，第二个方法则是我们的同步方法，可以看到同步方法比默认的构造方法多了一个ACC_SYNCHRONIZED的标志位。

与同步语句块不同，虚拟机不会在字节码层面实现锁同步，而是会先观察该方法是否含有ACC_SYNCHRONIZED标志。如果含有，则线程会首先尝试获取锁。如果是实例方法，则会尝试获取实例锁;如果是静态方法(类方法)，则会尝试获取类锁。最后不管方法执行是否出现异常，都会释放锁。

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