Java并发之synchronized用法及原理

一、synchronized简介

能够保证在同一时刻最多只有一个线程执行该段代码，以达到保证并发安全的效果（当被sync修饰之后，将会以原子方式执行）

地位

• 是Java的关键字，被Java语言原生支持
• 是最基本的同步互斥手段
• 是并发编程中的元老级角色，是并发编程的必学内容

二、synchronized两种用法

1、对象锁

对象锁：包括方法锁（默认锁对象为this当前实例对象）和同步代码块锁（自己制定锁对象）

• 代码块形式：手动指定锁对象

• 方法锁形式：synchronized修饰普通方法，锁对象默认为this

生命周期

Debug调试：

Debug调试查看线程所处状态.png

代码实战

• 代码块形式：

/**
 * 对象锁：代码块
 */
public class SynchronizedObjectCodeBlock02 implements Runnable {

    static SynchronizedObjectCodeBlock02 instance = new SynchronizedObjectCodeBlock02();

    Object lock1 = new Object();
    Object lock2 = new Object();

    @Override
    public void run() {
        // 同一个对象，则运行结果同this
        synchronized (lock1) {

            System.out.println("我是对象锁的代码块形式，我是Lock1，我叫" + Thread.currentThread().getName());
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "Lock1部分，运行结束。");
        }

        // 两把锁会出现并行，若为同一把锁，则串行
        synchronized (lock2) {

            System.out.println("我是对象锁的代码块形式，我是Lock2，我叫" + Thread.currentThread().getName());
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "Lock2部分，运行结束。");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(instance);
        Thread t2 = new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        while(t1.isAlive() || t2.isAlive()) {

        }
        System.out.println("Finished");
    }
}

• 方法锁形式

/**
 * 对象锁：代码块
 */
public class SynchronizedObjectMethod03 implements Runnable {

    static SynchronizedObjectMethod03 instance = new SynchronizedObjectMethod03();

    Object lock1 = new Object();
    Object lock2 = new Object();

    @Override
    public void run() {
        try {
            method();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public synchronized void method() throws InterruptedException {
        System.out.println("我是对象所得方法修饰符形式，我叫" + Thread.currentThread().getName());
        Thread.sleep(3000);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，运行结束。");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(instance);
        Thread t2 = new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        while(t1.isAlive() || t2.isAlive()) {

        }
        System.out.println("Finished");
    }
}

2、类锁

类锁：指synchronized修饰静态的方法或指定锁对象为Class对象

概念

• 只有一个Class对象：Java类可能有很多歌对象但是只有一个Class对象
• 本质：所以所谓的类锁，不过是Class对象的锁而已
• 用法和效果：类锁只能在同一时刻被一个对象拥有

两种形式

• synchronized加在static方法上

/**
 * 类锁的第一种形式，static形式
 */
public class SynchronizedClassStatic04 implements Runnable {
    static SynchronizedClassStatic04 instance1 = new SynchronizedClassStatic04();
    static SynchronizedClassStatic04 instance2 = new SynchronizedClassStatic04();

    @Override
    public void run() {
        try {
            method();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 此处不加static，会并行，加static会顺序串行执行
     * @throws InterruptedException
     */
    public static synchronized void method() throws InterruptedException {
        System.out.println("我是类锁的第一种形式static形式，我叫" + Thread.currentThread().getName());
        Thread.sleep(3000);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，运行结束。");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(instance1);
        Thread t2 = new Thread(instance2);
        t1.start();
        t2.start();
        while(t1.isAlive() || t2.isAlive()) {

        }
        System.out.println("Finished");
    }
}

• synchronized（*.class）代码块

/**
 * 类锁的第一种形式，static形式
 */
public class SynchronizedClassClass05 implements Runnable {
    static SynchronizedClassClass05 instance1 = new SynchronizedClassClass05();
    static SynchronizedClassClass05 instance2 = new SynchronizedClassClass05();

    @Override
    public void run() {
        try {
            method();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void method() throws InterruptedException {
        /**
         * 此处若为this，则并行，*.class则串行
         */
        synchronized (SynchronizedClassClass05.class) {

            System.out.println("我是类锁的第二种形式static形式：synchronized(*.class)，我叫" + Thread.currentThread().getName());
            Thread.sleep(3000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，运行结束。");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(instance1);
        Thread t2 = new Thread(instance2);
        t1.start();
        t2.start();
        while(t1.isAlive() || t2.isAlive()) {

        }
        System.out.println("Finished");
    }
}

三、性质

可重入性

指的是同一线程的外层函数获得锁之后，内层函数可以直接再次获取该锁

好处：避免死锁，提升封装性

粒度：线程而非调用（用3种情况来说明和pthread的区别）
3种情况：
1、证明同一个方法是可重入的
2、证明可重入不要求是同一个方法
3、证明可重入不要求是同一个类中的

不可中断性

一旦这个锁被别人获得了，如果我还想获得，我只能选择等待或者阻塞，直到别的线程释放这个锁，如果别人永远不释放锁，那么我只能永远的等下去

相比之下，Lock类，可以拥有中断的能力，第一点：如果我觉得我等的时间太长了，有权中断现在已经获取到锁的线程的执行；第二点：如果我觉得我等的时间太长了，不想再等了，可以退出

四、Synchronized原理

加锁和释放锁的原理：现象、时机、深入JVM看字节码
可重入原理：加锁次数计数器
保证可见性的原则：内存模型

1、加锁和释放锁的原理

• 现象
• 获取和释放锁的时机：内置锁
• 等价代码
• 深入JVM看字节码:反编译看monitor指令

深入JVM看字节码

• 概况

/**
 * 反编译字节码
 */
public class Decompilation4 {
    private Object object = new Object();

    public void insert(Thread thread) {
        synchronized (object) {

        }
    }
}

• 如何反编译

javac Decompilation4.java
javap -verose Decompilation4.class

看到如下条目6、8、14

image.png

• monitorenter和monitorexit指令

2、可重入原理：加锁次数计数器

• JVM负责跟踪对象被加锁的次数
• 线程第一次给对象加锁的时候，计数变为1.每当这个相同的线程在此对象上在此获得锁时，计数会递增
• 每当任务离开时，计数递减，当计数为0时，这把锁被完全释放

3、可见性的原理：Java内存模型

线程间通信图.png

Synchronized修饰的代码块，在锁释放之前写入到主内存中，保证了本地内存和主内存一致性。

五、Synchronized缺陷

• 效率低：锁的释放情况少、试图获得锁时不能设定超时，不能中断一个正在糊涂获得锁的线程

• 不够灵活（读写锁更灵活）：加锁和释放的时机单一，每个锁仅有单一的条件（某个对象），可能是不够的

• 无法直到是否成功获取到锁

以上内容整理自网络