在JVM中，每個對象都關(guān)聯(lián)一個監(jiān)視器，這里的對象包含Object實例和Class實例。監(jiān)視器是一個同步工具，相當于一個許可證，拿到許可證的線程即可進入臨界區(qū)進行操作，沒有拿到則需要阻塞等待。重量級鎖通過監(jiān)視器的方式保障了任何時間只允許一個線程通過受到監(jiān)視器保護的臨界區(qū)代碼。

1. monitor原理

jvm中每個對象都會有一個監(jiān)視器Monitor，監(jiān)視器和對象一起創(chuàng)建、銷毀。監(jiān)視器相當于一個用來監(jiān)視這些線程進入的特殊房間，其義務(wù)是保證（同一時間）只有一個線程可以訪問被保護的臨界區(qū)代碼塊。

每一個鎖都對應(yīng)一個monitor對象，在HotSpot虛擬機中它是由ObjectMonitor實現(xiàn)的（C++實現(xiàn)）

//部分屬性
ObjectMonitor() {
    _count        = 0;     //鎖計數(shù)器
    _owner        = NULL;
    _WaitSet      = NULL;  //處于wait狀態(tài)的線程，會被加入到_WaitSet
    _EntryList    = NULL ; //處于等待鎖block狀態(tài)的線程，會被加入到該列表
  }

本質(zhì)上，監(jiān)視器是一種同步工具，也可以說是一種同步機制，主要特點是：

• 同步。監(jiān)視器所保護的臨界區(qū)代碼是互斥地執(zhí)行的。一個監(jiān)視器是一個運行許可，任一線程進入臨界區(qū)代碼都需要獲得這個許可，離開時把許可歸還。
• 協(xié)作。監(jiān)視器提供Signal機制，允許正持有許可的線程暫時放棄許可進入阻塞等待狀態(tài)，等待其他線程發(fā)送Signal去喚醒；其他擁有許可的線程可以發(fā)送Signal，喚醒正在阻塞等待的線程，讓它可以重新獲得許可并啟動執(zhí)行。

每個java 對象都可以關(guān)聯(lián)一個 Monitor 對象，如果使用 synchronized 給對象上鎖（重量級）之后，該對象頭的mark word中就被設(shè)置指向 Monitor 對象的指針。

(1) 如果使用 synchronized 給obj對象上鎖，obj對象的markword就會指向一個monitor鎖對象；

(2) 剛開始 Monitor 中 Owner 為 null ；

(3) 當Thread-2線程持有monitor對象后，就會把monitor中的owner變量設(shè)置為當前線程Thread-2；

(4) 當Thread-3線程想要執(zhí)行臨界區(qū)的代碼時，要判斷monitor對象的屬性O(shè)wner是否為null，如果為null，Thread-3線程就持有了對象鎖，如果不為null，Thread-3線程就會放入monitor的EntryList阻塞隊列中，處于阻塞狀態(tài)Blocked。

(5) 在 Thread-2 上鎖的過程中，如果Thread-4，Thread-5 也來執(zhí)行 synchronized(obj)，也會進入EntryList BLOCKED ；

(6) Thread-2 執(zhí)行完同步代碼塊的內(nèi)容，就會釋放鎖，將owner變量置為null，并喚醒EntryList 中阻塞的線程來競爭鎖，競爭時是非公平的 ；

(7) 圖中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前獲得過鎖，但條件不滿足進入 WAITING 狀態(tài)的線程，后面講 wait-notify 時會分析

2. snychronized同步代碼塊原理

public class TestSynchronized {
    static final Object obj = new Object();
    static int i=0;
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (obj){
            i++;
        }
    }
}

將上面的代碼反編譯為字節(jié)碼文件：

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: getstatic     #2         // 獲取obj對象
         3: dup
         4: astore_1
         5: monitorenter		//將obj對象的markword置為monitor指針
         6: getstatic     #3                  
         9: iconst_1
        10: iadd
        11: putstatic     #3                  
        14: aload_1
        15: monitorexit			//同步代碼塊正常執(zhí)行時，將obj對象的markword重置，喚醒EntryList
        16: goto          24
        19: astore_2
        20: aload_1
        21: monitorexit			//同步代碼塊出現(xiàn)異常時，將obj對象的markword重置，喚醒EntryList
        22: aload_2
        23: athrow
        24: return
      Exception table:
         from    to  target type
             6    16    19   any  //監(jiān)測6-16行jvm指令，如果出現(xiàn)異常就會到第19行
            19    22    19   any

這兩條指令的作用，我們直接參考JVM規(guī)范中描述：

monitorenter 指令：

每個對象有一個監(jiān)視器鎖（monitor）。當monitor被占用時就會處于鎖定狀態(tài)，線程執(zhí)行monitorenter指令時嘗試獲取monitor的所有權(quán)，過程如下：

(1) 如果monitor的進入數(shù)為0，則該線程進入monitor，然后將進入數(shù)設(shè)置為1，該線程即為monitor的所有者

(2) 如果線程已經(jīng)占有該monitor，只是重新進入，則進入monitor的進入數(shù)加1.

(3) 如果其他線程已經(jīng)占用了monitor，則該線程進入阻塞狀態(tài)，直到monitor的進入數(shù)為0，再重新嘗試獲取monitor的所有權(quán)。

monitorexit指令：

執(zhí)行monitorexit的線程必須是持有obj鎖對象的線程

指令執(zhí)行時，monitor的進入數(shù)減1，如果減1后進入數(shù)為0，那線程釋放monitor，不再是這個monitor的所有者。其他被這個monitor阻塞的線程可以嘗試去獲取這個 monitor 的所有權(quán)。

Synchronized的語義底層是通過一個monitor的對象來完成，其實wait/notify等方法也依賴于monitor對象，這就是為什么只有在同步的塊或者方法中才能調(diào)用wait/notify等方法，否則會拋出IllegalMonitorStateException的異常的原因。

3. synchronized同步方法原理

public class TestSynchronized {
    static int i=0;
    public synchronized  void add(){
        i++;
    }
}

對應(yīng)的字節(jié)碼指令：

 public synchronized void add();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field i:I
         3: iconst_1
         4: iadd
         5: putstatic     #2                  // Field i:I
         8: return

從反編譯的結(jié)果來看，方法的同步并沒有通過指令monitorenter和monitorexit來完成不過相對于普通方法，其常量池中多了ACC_SYNCHRONIZED標示符。JVM就是根據(jù)該標示符來實現(xiàn)方法的同步的：當方法調(diào)用時，調(diào)用指令將會檢查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 訪問標志是否被設(shè)置，如果設(shè)置了，執(zhí)行線程將先獲取monitor，獲取成功之后才能執(zhí)行方法體，方法執(zhí)行完后再釋放monitor。在方法執(zhí)行期間，其他任何線程都無法再獲得同一個monitor對象。 其實本質(zhì)上沒有區(qū)別，只是方法的同步是一種隱式的方式來實現(xiàn)，無需通過字節(jié)碼來完成。

4. 重量級鎖的開銷

處于ContentionList、EntryList、WaitSet中的線程都處于阻塞狀態(tài)，線程的阻塞或者喚醒都需要操作系統(tǒng)來幫忙，Linux內(nèi)核下采用pthread_mutex_lock系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)，進程需要從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)。

用戶態(tài)是應(yīng)用程序運行的空間，為了能訪問到內(nèi)核管理的資源（例如CPU、內(nèi)存、I/O），可以通過內(nèi)核態(tài)所提供的訪問接口實現(xiàn)，這些接口就叫系統(tǒng)調(diào)用。

pthread_mutex_lock系統(tǒng)調(diào)用是內(nèi)核態(tài)為用戶態(tài)進程提供的Linux內(nèi)核態(tài)下互斥鎖的訪問機制，所以使用pthread_mutex_lock系統(tǒng)調(diào)用時，進程需要從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，而這種切換是需要消耗很多時間的，有可能比用戶執(zhí)行代碼的時間還要長。

由于JVM輕量級鎖使用CAS進行自旋搶鎖，這些CAS操作都處于用戶態(tài)下，進程不存在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的運行切換，因此JVM輕量級鎖開銷較小。而JVM重量級鎖使用了Linux內(nèi)核態(tài)下的互斥鎖，這是重量級鎖開銷很大的原因。

總結(jié)

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容! 

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