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Java虚拟机是如何执行线程同步的

想介绍下synchronized的原理,但是又不知道从何下手,在网上看到一篇老外的文章,介绍了和线程同步相关的几个基础知识点。所以想把它翻译一下给大家看看。相信看过这些基础知识之后再看我后面要写的synchronized的原理就会好理解一点了。

作者:Hollis译|2017-11-14 16:43

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想介绍下synchronized的原理,但是又不知道从何下手,在网上看到一篇老外的文章,介绍了和线程同步相关的几个基础知识点。所以想把它翻译一下给大家看看。相信看过这些基础知识之后再看我后面要写的synchronized的原理就会好理解一点了。

了解Java语言的人都知道,Java代码要想被JVM执行,需要被转换成由字节码组成的class文件。本文主要来分析下Java虚拟机是如何在字节码层面上执行线程同步的。

线程和共享数据

Java编程语言的优点之一是它在语言层面上对多线程的支持。这种支持大部分集中在协调多个线程对共享数据的访问上。JVM的内存结构主要包含以下几个重要的区域:栈、堆、方法区等。

在Java虚拟中,每个线程独享一块栈内存,其中包括局部变量、线程调用的每个方法的参数和返回值。其他线程无法读取到该栈内存块中的数据。栈中的数据仅限于基本类型和对象引用。所以,在JVM中,栈上是无法保存真实的对象的,只能保存对象的引用。真正的对象要保存在堆中。

在JVM中,堆内存是所有线程共享的。堆中只包含对象,没有其他东西。所以,堆上也无法保存基本类型和对象引用。堆和栈分工明确。但是,对象的引用其实也是对象的一部分。这里值得一提的是,数组是保存在堆上面的,即使是基本类型的数据,也是保存在堆中的。因为在Java中,数组是对象。

除了栈和堆,还有一部分数据可能保存在JVM中的方法区中,比如类的静态变量。方法区和栈类似,其中只包含基本类型和对象应用。和栈不同的是,方法区中的静态变量可以被所有线程访问到。

对象和类的锁

如前文提到,JVM中有两块内存区域可以被所有线程共享:

  • 堆,上面存放着所有对象
  • 方法区,上面存放着静态变量

那么,如果有多个线程想要同时访问同一个对象或者静态变量,就需要被管控,否则可能出现不可预期的结果。

为了协调多个线程之间的共享数据访问,虚拟机给每个对象和类都分配了一个锁。这个锁就像一个特权,在同一时刻,只有一个线程可以“拥有”这个类或者对象。如果一个线程想要获得某个类或者对象的锁,需要询问虚拟机。当一个线程向虚拟机申请某个类或者对象的锁之后,也许很快或者也许很慢虚拟机可以把锁分配给这个线程,同时这个线程也许永远也无法获得锁。当线程不再需要锁的时候,他再把锁还给虚拟机。这时虚拟机就可以再把锁分配给其他申请锁的线程。

类锁其实通过对象锁实现的。因为当虚拟机加载一个类的时候,会会为这个类实例化一个 java.lang.Class 对象,当你锁住一个类的时候,其实锁住的是其对应的Class 对象。

监视器(Monitors)

监视器和锁同时被JVM使用(我理解作者的意思应该是想说锁其实是通过监视器实现的。),监视器主要功能是监控一段代码,确保在同一时间只有一个线程在执行。

每个监视器都与一个对象相关联。当线程执行到监视器监视下的代码块中的第一条指令时,线程必须获取对被引用对象的锁定。在线程获取锁之前,他是无法执行这段代码的,一旦获得锁,线程便可以进入“被保护”的代码开始执行。

当线程离开代码块的时候,无论如何离开,都会释放所关联对象的锁。

多次加锁

同一个线程可以对同一个对象进行多次加锁。每个对象维护着一个记录着被锁次数的计数器。未被锁定的对象的该计数器为0,当一个线程获得锁后,该计数器自增变为 1 ,当同一个线程再次获得该对象的锁的时候,计数器再次自增。当同一个线程释放锁的时候,计数器再自减。当计数器为0的时候。锁将被释放,其他线程便可以获得锁。

同步

在Java中,当有多个线程都必须要对同一个共享数据进行访问时,有一种协调方式叫做同步。Java语言提供了两种内置方式来使线程同步的访问数据:同步代码块和同步方法。

这篇文章中后面还介绍了同步代码块和同步方法,以及简单的介绍了下实现方式。这里就不做翻译了,因为我觉得他介绍的太简单了。我后面专门写篇文章详细介绍。

原文地址:How the Java virtual machine performs thread synchronization

【本文是51CTO专栏作者Hollis的原创文章,作者微信公众号Hollis(ID:hollischuang)】

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