所有 Java 程序都被编译成类文件，这些文件包含字节码，即Java 虚拟机 的机器语言。本文介绍了Java虚拟机如何处理线程同步，包括相关的字节码。（1,750字）
本月的 Under The Hood 研究了Java语言和Java虚拟机（JVM）中的线程同步。本文是我去年夏天开始的一系列字节码文章中的最后一篇。它描述了仅两个与 线程 同步直接相关的操作码，即用于进入和退出监视器的操作码。
线程和共享数据
Java编程语言的优势之一是它在语言级别上支持多线程。这种支持的大部分集中在协调对多个线程之间共享的数据的访问上。
JVM将正在运行的Java应用程序的数据组织到几个运行时数据区域中：一个或多个Java堆栈，堆和方法区域。有关这些内存区域的背景知识，请参阅第一篇“ 高级技术” 文章：“ 精益，精简的虚拟机”。
在Java虚拟机内部，每个线程都被授予一个Java堆栈，该堆栈包含其他线程无法访问的数据，包括该线程调用的每个方法的局部变量，参数和返回值。堆栈上的数据仅限于基本类型和对象引用。在JVM中，不可能将实际对象的映像放置在堆栈上。所有对象都驻留在堆上。
JVM内部只有一个堆，并且所有线程都共享它。堆只包含对象。无法将单独的原始类型或对象引用放在堆上-这些东西必须是对象的一部分。数组驻留在堆上，包括原始类型的数组，但是在Java中，数组也是对象。
除了Java堆栈和堆之外，其他地方的数据可能位于JVM中的method区域，该区域包含程序使用的所有类（或静态）变量。方法区域与堆栈类似，因为它仅包含基本类型和对象引用。但是，与堆栈不同，方法区域中的类变量由所有线程共享。
对象和类锁
如上所述，Java虚拟机中的两个内存区域包含所有线程共享的数据。这些是：
- 堆，其中包含所有对象
- 方法区域，其中包含所有类变量
如果多个线程需要同时使用相同的对象或类变量，则必须正确管理它们对数据的访问。否则，程序将具有不可预测的行为。
为了协调多个线程之间的共享数据访问，Java虚拟机将锁与每个对象和类关联。锁就像特权，一次只能有一个线程“拥有”。如果线程想要锁定特定的对象或类，它将询问JVM。在线程向JVM请求锁定之后的某个时刻-可能很快，也许以后，甚至可能永远不会-JVM将锁定提供给线程。当线程不再需要锁时，它将锁返回给JVM。如果另一个线程请求了相同的锁，则JVM将锁传递给该线程。
类锁实际上是作为对象锁实现的。JVM加载类文件时，将创建class的实例java.lang.Class。当您锁定一个类时，实际上是在锁定该类的Class对象。
线程无需获取锁即可访问实例或类变量。但是，如果某个线程确实获得了锁，则只有拥有该锁的线程将其释放，其他线程才能访问该锁数据。
监控器
JVM将锁与监视器结合使用。监视器本质上是监护人，因为它监视一系列代码，并确保一次仅执行一个线程。
每个监视器都与一个对象引用关联。当线程到达监视器监视下的代码块中的第一条指令时，该线程必须获得对引用对象的锁定。在线程获得锁之前，不允许其执行代码。一旦获得了锁，线程便进入受保护的代码块。
当线程离开该块时，无论它如何离开该块，它都会释放关联对象上的锁。
多重锁
允许单个线程多次锁定同一对象。对于每个对象，JVM都会对对象被锁定的次数进行计数。一个未锁定的对象的计数为零。当线程首次获取锁时，计数将增加为一。线程每次在同一对象上获取锁时，计数都会增加。每次线程释放锁定时，计数都会减少。当计数达到零时，将释放该锁并将其提供给其他线程。
同步块
在Java语言术语中，必须访问共享数据的多个线程的协调称为“ 同步”。该语言提供了两种内置的方法来同步对数据的访问：使用同步语句或同步方法。
同步语句
要创建同步语句，请将该 synchronized 关键字与一个表达式求值，该表达式的结果为对象引用，如以下reverseOrder()方法所示：
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;
}
}
}} 在上述情况下，直到在当前对象（this）上获得了锁定，才会执行同步块中包含的语句。如果this表达式代替了引用而产生了对另一个对象的引用，则在线程继续之前将获取与该对象关联的锁。
两种操作码monitorenter和和monitorexit用于方法中的同步块，如下表所示。
表1.监视器
操作码操作数描述 monitorenter没有弹出objectref，获取与objectref相关联的锁monitorexit没有弹出objectref，释放与objectref相关的锁
当monitorenterJava虚拟机遇到它时，它将获取堆栈上由objectref引用的对象的锁。如果线程已经拥有该对象的锁，则计数增加。每次monitorexit为对象上的线程执行时，计数都会减少。当计数达到零时，将释放监视器。
看一看由该类的方法生成的字节码序列。reverseOrder()KitchenSync
请注意，即使从同步块内引发异常，catch子句也可以确保锁定的对象将被解锁。无论同步块如何退出，线程进入该块时所获取的对象锁定都将被释放。
同步方法
要同步整个方法，只需将synchronized关键字作为方法限定符之一，如下所示：
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不使用任何特殊的操作码来调用同步方法或从同步方法返回。当JVM解析对方法的符号引用时，它将确定该方法是否同步。如果是，则JVM在调用该方法之前获取一个锁。对于实例方法，JVM获取与在其上调用该方法的对象关联的锁。对于类方法，它获取与该方法所属的类相关联的锁。同步方法完成后，无论是通过返回还是引发异常来完成，都将释放锁。
下个月来
现在，我已经遍历了整个字节码指令集，我将扩大本专栏的范围，以涵盖Java技术的各个方面或应用程序，而不仅仅是Java虚拟机。下个月，我将开始一个由多个部分组成的系列文章，其中提供了Java安全模型的深入概述。
Bill Venners从事专业软件编写已有12年了。他位于硅谷，以Artima Software Company的名义提供软件咨询和培训服务。多年来，他为消费电子，教育，半导体和人寿保险行业开发了软件。他在许多平台上用多种语言编程：各种微处理器上的汇编语言，Unix上的C，Windows上的C ++，Web上的Java。他是McGraw-Hill出版的《 Java虚拟机内部》一书的作者。
了解有关此主题的更多信息
- Tim Lindholm和Frank Yellin（ISBN 0-201-63452-X）所著的《 Java虚拟机规范 》一书（），是Java系列（ Addison-Wesley的）是权威的Java虚拟机参考。
- 以前的“引擎盖下”文章：
- “ 精益，卑鄙的虚拟机 ”对Java虚拟机进行了介绍。
- “ Java类文件的生活方式 ”概述了Java类文件，即所有Java程序都编译成的文件格式。
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