Как работает механизм синхронизации 'synchronized' в языке Java под капотом?

Механизм synchronized в Java основан на концепции мониторов (monitor objects). Каждому объекту в Java ассоциирован монитор.

Когда поток входит в синхронизированный блок или метод, он пытается захватить монитор соответствующего объекта. Если монитор свободен, поток захватывает его и продолжает выполнение. Если монитор занят другим потоком, текущий поток блокируется и переходит в состояние ожидания, пока монитор не освободится.

Когда поток покидает синхронизированный блок или метод (либо успешно завершив его, либо выбросив исключение), он освобождает монитор.

Внутри монитора реализованы:

1. Взаимное исключение (Mutual Exclusion): Только один поток может владеть монитором объекта в один момент времени. Это гарантирует, что только один поток может выполнять синхронизированный код для данного объекта.
2. Ожидание и уведомление (Waiting and Notification): Монитор включает в себя набор связанных методов wait(), notify() и notifyAll(). Эти методы позволяют потокам, владеющим монитором, временно освободить его и перейти в состояние ожидания, а затем быть уведомленными другими потоками о возможности продолжить работу.

Реализация под капотом включает в себя:

• monitorenter инcтрукция: Выполняется при входе в синхронизированный блок или метод. Пытается захватить монитор объекта.
• monitorexit инcтрукция: Выполняется при выходе из синхронизированного блока или метода (как в случае нормального завершения, так и при исключении). Освобождает монитор объекта.

Эти инструкции являются частью байт-кода Java и обрабатываются виртуальной машиной Java (JVM). JVM использует нативные механизмы операционной системы (например, mutexes, semaphores) для управления мониторами и блокировкой/разблокировкой потоков.

Захват монитора может быть реализован на уровне объекта (для instance methods и blocks) или на уровне класса (для static methods и blocks), используя объект Class как блокировку.

Пример использования:

public class Counter {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() { // Синхронизированный метод
        count++;
    }

    public void decrement() {
        synchronized (this) { // Синхронизированный блок
            count--;
        }
    }

    public static synchronized void staticMethod() { // Синхронизированный статический метод
        // ...
    }
}

Таблица методов класса Object, связанных с мониторами:

Метод	Описание
wait()	Поток, владеющий монитором, временно освобождает его и переходит в ожидание.
notify()	Уведомляет один из ожидающих потоков, что он может попытаться захватить монитор и возобновить работу.
notifyAll()	Уведомляет все ожидающие потоки.