文章目录
  1. 1. 前言
  2. 2. 线程和共享数据
  3. 3. 对象锁和类锁
  4. 4. 管程
  5. 5. 多次锁定
  6. 6. 同步块
    1. 6.1. 同步语句
    2. 6.2. 同步方法

本文翻译自How the Java virtual machine performs thread synchronization,内容略有删改

前言

所有的 Java 程序都会被翻译为包含字节码的 class 文件,字节码是 JVM 的机器语言。这篇文章将阐述 JVM 是如何处理线程同步以及相关的字节码。

线程和共享数据

Java 的一个优点就是在语言层面支持多线程,这种支持集中在协调多线程对数据的访问上。

JVM 将运行时数据划分为几个区域:一个或多个栈,一个堆,一个方法区。

在 JVM 中,每个线程拥有一个栈,其他线程无法访问,里面的数据包括:局部变量,函数参数,线程调用的方法的返回值。栈里面的数据只包含原生数据类型和对象引用。在 JVM 中,不可能将实际对象的拷贝放入栈。所有对象都在堆里面。

JVM 只有一个堆,所有线程都共享它。堆中只包含对象,把单独的原生类型或者对象引用放入堆也是不可能的,除非它们是对象的一部分。数组也在堆中,包括原生类型的数组,因为在 Java 中,数组也是对象。

除了栈和堆,另一个存放数据的区域就是方法区了,它包含程序中使用到的所有类(静态)变量。方法区类似于栈,也只包含原生类型和对象引用,但是又跟栈不同,方法区中类变量是线程共享的。

对象锁和类锁

正如前面所说,JVM 中的两个区域包含线程共享的数据,分别是:

  1. :包含所有对象
  2. 方法区:包含所有类变量

如果多个线程需要同时使用同一个对象或者类变量,它们对数据的访问必须被恰当地控制。否则,程序会产生不可预测的行为。

为了协调多个线程对共享数据的访问,JVM 给每个对象和类关联了一个锁。锁就像是任意时间点只有一个线程能够拥有的特权。如果一个线程想要锁住一个特定的对象或者类,它需要向 JVM 请求锁。线程向 JVM 请求锁之后,可能很快就拿到,或者过一会就拿到,也可能永远拿不到。当线程不需要锁之后,它把锁还给 JVM。如果其他线程需要这个锁,JVM 会交给该线程。

类锁的实现其实跟对象锁是一样的。当 JVM 加载类文件的时候,它会创建一个对应类java.lang.Class对象。当你锁住一个类的时候,你实际上是锁住了这个类的Class对象。

线程访问对象实例或者类变量的时候不需要获取锁。但是如果一个线程获取了一个锁,其他线程不能访问被锁住的数据,直到拥有锁的线程释放它。

管程

JVM 使用锁和管程协作。管程监视一段代码,保证一个时间点内只有一个线程能执行这段代码。

每个管程与一个对象引用关联。当线程到达管程监视代码段的第一条指令时,线程必须获取关联对象的锁。线程不能执行这段代码直到它得到了锁。一旦它得到了锁,线程可以进入被保护的代码段。

当线程离开被保护的代码块,不管是如何离开的,它都会释放关联对象的锁。

多次锁定

一个线程被允许锁定一个对象多次。对于每个对象,JVM 维护了一个锁的计数器。没有被锁的对象计数为 0。当一个线程第一次获取锁,计数器自增变为 1。每次这个线程(已经得到锁的线程)请求同一个对象的锁,计数器都会自增。每次线程释放锁,计数器都会自减。当计数器变为 0 时,锁才被释放,可以给别的线程使用。

同步块

在 Java 语言的术语中,协调多个线程访问共享数据被称为同步(synchronization)。Java 提供了两种内建的方式来同步对数据的访问:

  1. 同步语句
  2. 同步方法

同步语句

为了创建同步语句,你需要使用synchronized关键字,括号里面是同步的对象引用,如下所示:

class KitchenSync {
    private int[] intArray = new int[10];
    void reverseOrder() {
        synchronized (this) {
            int halfWay = intArray.length / 2;
            for (int i = 0; i < halfWay; ++i) {
                int upperIndex = intArray.length - 1 - i;
                int save = intArray[upperIndex];
                intArray[upperIndex] = intArray[i];
                intArray[i] = save;
            }
        }
    }
}

在上面的例子中,被同步块包含的语句不会被执行,直到线程得到this引用的对象锁。如果不是锁住this引用,而是锁住其他对象,在线程执行同步块语句之前,它需要获得该对象的锁。

有两个字节码monitorentermonitorexit,被用来同步方法中的同步块

字节码 操作数 描述
monitorenter 取出对象引用,请求与对象引用关联的锁
monitorexit 取出对象引用,释放与对象引用关联的锁

monitorenter被 JVM 执行时,它请求栈顶对象引用关联的锁。如果该线程已经拥有该对象的锁,计数器自增。每次monitorexit被执行,计数器自减。当计数器变为 0 时,该锁被释放。

注意:当同步块中抛出异常时,catch语句保证对象锁被释放。不管同步块是如何退出的,JVM 保证线程会释放锁。

同步方法

为了同步整个方法,你只需要在方法声明前面加上synchronized关键字。

class HeatSync {
    private int[] intArray = new int[10];
    synchronized void reverseOrder() {
        int halfWay = intArray.length / 2;
        for (int i = 0; i < halfWay; ++i) {
            int upperIndex = intArray.length - 1 - i;
            int save = intArray[upperIndex];
            intArray[upperIndex] = intArray[i];
            intArray[i] = save;
        }
    }
}

JVM 不会使用特殊的字节码来调用同步方法。当 JVM 解析方法的符号引用时,它会判断方法是不是同步的。如果是,JVM 要求线程在调用之前请求锁。对于实例方法,JVM 要求得到该实例对象的锁。对于类方法,JVM 要求得到类锁。在同步方法完成之后,不管它是正常返回还是抛出异常,锁都会被释放。

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  3. 3. 对象锁和类锁
  4. 4. 管程
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    2. 6.2. 同步方法