JVM 進行線程同步背后的原理

spzproot 2017-04-14

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前言

所有的 Java 程序都會被翻譯為包含字節(jié)碼的 class 文件，字節(jié)碼是 JVM 的機器語言,。這篇文章將闡述 JVM 是如何處理線程同步以及相關(guān)的字節(jié)碼,。

線程和共享數(shù)據(jù)

Java 的一個優(yōu)點就是在語言層面支持多線程，這種支持集中在協(xié)調(diào)多線程對數(shù)據(jù)的訪問上,。

JVM 將運行時數(shù)據(jù)劃分為幾個區(qū)域：一個或多個棧,，一個堆，一個方法區(qū),。

在 JVM 中,，每個線程擁有一個棧，其他線程無法訪問,，里面的數(shù)據(jù)包括：局部變量,，函數(shù)參數(shù)，線程調(diào)用的方法的返回值,。棧里面的數(shù)據(jù)只包含原生數(shù)據(jù)類型和對象引用,。在 JVM 中,，不可能將實際對象的拷貝放入棧。所有對象都在堆里面,。

JVM 只有一個堆,，所有線程都共享它。堆中只包含對象,，把單獨的原生類型或者對象引用放入堆也是不可能的,，除非它們是對象的一部分。數(shù)組也在堆中,，包括原生類型的數(shù)組,，因為在 Java 中，數(shù)組也是對象,。

除了棧和堆,，另一個存放數(shù)據(jù)的區(qū)域就是方法區(qū)了，它包含程序中使用到的所有類（靜態(tài)）變量,。方法區(qū)類似于棧,，也只包含原生類型和對象引用，但是又跟棧不同,，方法區(qū)中類變量是線程共享的,。

對象鎖和類鎖

正如前面所說，JVM 中的兩個區(qū)域包含線程共享的數(shù)據(jù),，分別是：

堆：包含所有對象
方法區(qū)：包含所有類變量

如果多個線程需要同時使用同一個對象或者類變量,，它們對數(shù)據(jù)的訪問必須被恰當?shù)乜刂啤７駝t,，程序會產(chǎn)生不可預(yù)測的行為,。

為了協(xié)調(diào)多個線程對共享數(shù)據(jù)的訪問，JVM 給每個對象和類關(guān)聯(lián)了一個鎖,。鎖就像是任意時間點只有一個線程能夠擁有的特權(quán),。如果一個線程想要鎖住一個特定的對象或者類，它需要向 JVM 請求鎖,。線程向 JVM 請求鎖之后，可能很快就拿到,，或者過一會就拿到,，也可能永遠拿不到。當線程不需要鎖之后,，它把鎖還給 JVM,。如果其他線程需要這個鎖，JVM 會交給該線程,。

類鎖的實現(xiàn)其實跟對象鎖是一樣的,。當 JVM 加載類文件的時候,，它會創(chuàng)建一個對應(yīng)類java.lang.Class對象。當你鎖住一個類的時候,，你實際上是鎖住了這個類的Class對象,。

線程訪問對象實例或者類變量的時候不需要獲取鎖。但是如果一個線程獲取了一個鎖,，其他線程不能訪問被鎖住的數(shù)據(jù),，直到擁有鎖的線程釋放它。

管程

JVM 使用鎖和管程協(xié)作,。管程監(jiān)視一段代碼,，保證一個時間點內(nèi)只有一個線程能執(zhí)行這段代碼。

每個管程與一個對象引用關(guān)聯(lián),。當線程到達管程監(jiān)視代碼段的第一條指令時,，線程必須獲取關(guān)聯(lián)對象的鎖。線程不能執(zhí)行這段代碼直到它得到了鎖,。一旦它得到了鎖,，線程可以進入被保護的代碼段。

當線程離開被保護的代碼塊,，不管是如何離開的,，它都會釋放關(guān)聯(lián)對象的鎖。

多次鎖定

一個線程被允許鎖定一個對象多次,。對于每個對象,，JVM 維護了一個鎖的計數(shù)器。沒有被鎖的對象計數(shù)為 0,。當一個線程第一次獲取鎖,，計數(shù)器自增變?yōu)?1。每次這個線程（已經(jīng)得到鎖的線程）請求同一個對象的鎖,，計數(shù)器都會自增,。每次線程釋放鎖，計數(shù)器都會自減,。當計數(shù)器變?yōu)?0 時,，鎖才被釋放，可以給別的線程使用,。

同步塊

在 Java 語言的術(shù)語中,，協(xié)調(diào)多個線程訪問共享數(shù)據(jù)被稱為同步（synchronization）。Java 提供了兩種內(nèi)建的方式來同步對數(shù)據(jù)的訪問：

同步語句
同步方法

同步語句

為了創(chuàng)建同步語句,，你需要使用synchronized關(guān)鍵字,，括號里面是同步的對象引用，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，被同步塊包含的語句不會被執(zhí)行,，直到線程得到this引用的對象鎖,。如果不是鎖住this引用，而是鎖住其他對象,，在線程執(zhí)行同步塊語句之前,，它需要獲得該對象的鎖。

有兩個字節(jié)碼monitorenter和monitorexit,，被用來同步方法中的同步塊,。

字節(jié)碼	操作數(shù)	描述
monitorenter	無	取出對象引用，請求與對象引用關(guān)聯(lián)的鎖
monitorexit	無	取出對象引用,，釋放與對象引用關(guān)聯(lián)的鎖

當monitorenter被 JVM 執(zhí)行時,，它請求棧頂對象引用關(guān)聯(lián)的鎖。如果該線程已經(jīng)擁有該對象的鎖,，計數(shù)器自增,。每次monitorexit被執(zhí)行，計數(shù)器自減,。當計數(shù)器變?yōu)?0 時,，該鎖被釋放。

注意：當同步塊中拋出異常時,，catch語句保證對象鎖被釋放,。不管同步塊是如何退出的，JVM 保證線程會釋放鎖,。

同步方法

為了同步整個方法,，你只需要在方法聲明前面加上synchronized關(guān)鍵字。

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 不會使用特殊的字節(jié)碼來調(diào)用同步方法,。當 JVM 解析方法的符號引用時,，它會判斷方法是不是同步的。如果是,，JVM 要求線程在調(diào)用之前請求鎖,。對于實例方法，JVM 要求得到該實例對象的鎖,。對于類方法,，JVM 要求得到類鎖。在同步方法完成之后,，不管它是正常返回還是拋出異常,，鎖都會被釋放。