深入理解Synchronized关键字底层原理及作用(一)

 

Synchronized是解决多线程问题的常用解决方案,很多程序员对Synchronized只是知其然不知其所以然,今天总结一下Synchronized关键字的详细用法及底层实现原理.

当存在多个线程操作共享数据时，需要保证同一时刻有且只有一个线程在操作共享数据，其他线程必须等到该线程处理完数据后再进行，这种方式就叫互斥锁，即能达到互斥访问目的的锁，也就是说当一个共享数据被当前正在访问的线程加上互斥锁后，在同一个时刻，其他线程只能处于等待的状态，直到当前线程处理完毕释放该锁。在 Java 中，关键字 synchronized可以保证在同一个时刻，只有一个线程可以执行某个方法或者某个代码块(主要是对方法或者代码块中存在共享数据的操作)，同时我们还应该注意到synchronized另外一个重要的作用，synchronized可保证一个线程的变化(主要是共享数据的变化)被其他线程所看到（保证可见性，完全可以替代Volatile功能），这点确实也是很重要的。

synchronized的三种应用方式

synchronized关键字最主要有以下3种应用方式

• 修饰实例方法,对当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁

• 修饰静态方法,对当前类对象(当前类的Class对象)加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁

• 修饰代码块,对代码块{}中的内容加锁，进入同步代码块前要获得给定对象的锁。

synchronized作用于实例方法

所谓的实例对象锁就是用synchronized修饰实例对象中的实例方法，注意是实例方法不包括静态方法，如下

public class AccountingSync implements Runnable{

    //共享资源(临界资源)
    static int i=0;

    /**
     * synchronized 修饰实例方法
     */
    public synchronized void increase(){
        i++;
    }

    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<100000;j++){
            increase();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AccountingSync instance=new AccountingSync();
        Thread t1=new Thread(instance);
        Thread t2=new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }

    /**
     * 输出结果:200000
     * 每个线程先读取i的值,再执行加1操作.
     */
}

这里两个线程的锁对象是同一个instance(注意Java中的线程同步锁可以是任意对象),此时当一个线程执行instance的synchronized方法时,就持有了该instance的对象锁,另一个线程将无法执行该instance的synchronized方法,因为一个对象只有一把锁,但可以执行其它非synchronized方法.(变量)

如果两个线程的锁对象不是同一个instance,由于i++操作并不具备原子性，该操作是先读取值，再把原来的值加上1写回，分两步完成，如果第二个线程在第一个线程读取旧值和写回新值期间读取i的域值，那么第二个线程就会与第一个线程一起看到同一个值，并执行相同值的加1操作，这也就造成了线程安全失败,最后输出结果将小于200000.

public class AccountingSyncBad implements Runnable{

    static int i=0;

    public synchronized void increase(){
        i++;
    }

    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<1000000;j++){
            increase();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        //new新实例
        Thread t1=new Thread(new AccountingSyncBad());
        //new新实例
        Thread t2=new Thread(new AccountingSyncBad());
        t1.start();
        t2.start();
        //join含义:当前线程A等待thread线程终止之后才能从thread.join()返回
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
    /**
     * 输出结果将小于200000,在线程执行时有可能读取的i值相同,导致加1后得到的i值相同,
     *最后导致两个线程写回的i值也相同,注意i是被static修饰的变量.
     */
}

 

synchronized作用于静态方法

当synchronized作用于静态方法时，其锁就是当前类的class对象锁。由于静态成员不专属于任何一个实例对象，是类成员，因此通过class对象锁可以控制静态成员的并发操作。需要注意的是如果一个线程A调用一个实例对象的非static synchronized方法，而线程B需要调用这个实例对象所属类的静态 synchronized方法，是允许的，不会发生互斥现象，因为访问静态 synchronized 方法占用的锁是当前类的class对象，而访问非静态 synchronized 方法占用的锁是当前实例对象锁，看如下代码

public class AccountingSyncClass implements Runnable{

    static int i=0;

    /**
     * 作用于静态方法,锁是当前class对象,也就是
     * AccountingSyncClass类对应的class对象
     */
    public static synchronized void increase(){
        i++;
    }

    /**
     * 非静态,当有其它线程访问时锁不一样不会发生互斥
     */
    public synchronized void increase1(){
        i++;
    }

    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<1000000;j++){
            increase();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //new新实例
        Thread t1=new Thread(new AccountingSyncClass());
        //new新实例
        Thread t2=new Thread(new AccountingSyncClass());
        //启动线程
        t1.start();t2.start();

        t1.join();t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

由于synchronized关键字修饰的是静态increase方法，与修饰实例方法不同的是，其锁对象是当前类的class对象。注意代码中的increase4Obj方法是实例方法，其对象锁是当前实例对象，如果别的线程调用该方法，将不会产生互斥现象，毕竟锁对象不同，但我们应该意识到这种情况下可能会发现线程安全问题(操作了共享静态变量i)。

synchronized同步代码块

除了使用关键字修饰实例方法和静态方法外,还可以使用同步代码块,在某些情况下,我们编写的方法体可能比较大,同时存在一些比较耗时的操作,而需要同步的代码又只有一小部分,如果直接对整个方法进行同步操作,可能会得不偿失,此时我们可以使用同步代码块的方式对需要同步的代码进行包裹，这样就无需对整个方法进行同步操作了，同步代码块的使用示例如下：

public class AccountingSync implements Runnable{

    //静态实例对象
    static AccountingSync instance=new AccountingSync();

    static int i=0;

    @Override
    public void run() {
        //省略其他耗时操作....
        //使用同步代码块对变量i进行同步操作,锁对象为instance
        synchronized(instance){
            for(int j=0;j<1000000;j++){
                    i++;
              }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1=new Thread(instance);
        Thread t2=new Thread(instance);
        t1.start();t2.start();
        t1.join();t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

从代码看出，将synchronized作用于一个给定的实例对象instance，即当前实例对象就是锁对象，每次当线程进入synchronized包裹的代码块时就会要求当前线程持有instance实例对象锁，如果当前有其他线程正持有该对象锁，那么新到的线程就必须等待，这样也就保证了每次只有一个线程执行i++;操作。当然除了instance作为对象外，我们还可以使用this对象(代表当前实例)或者当前类的class对象作为锁，如下代码：

//this,当前实例对象锁
synchronized(this){
    for(int j=0;j<1000000;j++){
        i++;
    }
}

//class对象锁
synchronized(AccountingSync.class){
    for(int j=0;j<1000000;j++){
        i++;
    }
}

了解完synchronized的基本含义及其使用方式后，下一篇我们将进一步深入理解synchronized的底层实现原理.

本文参考资料:

https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483

《Java编程思想》 
《深入理解Java虚拟机》 
《实战Java高并发程序设计》