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Java并发编程之 synchronized

Java引导者

共 3654字，需浏览 8分钟

 ·

2020-09-30 12:39

大家好，我是你们的导师，我每天都会在这里给大家分享一些干货内容（当然了，周末也要允许老师休息一下哈）。上次老师跟大家分享了下Java中内存泄漏如何分析解决的相关知识，今天跟大家分享Java之 synchronized的知识。


一、简介


1、作用

能够保证在同一时刻最多只有一个线程执行该代码，以保证并发安全的效果。

2、地位

  • Synchronized是Java关键字，Java原生支持

  • 最基本的互斥同步手段

  • 并发编程的元老级别

3、不控制并发的影响

测试：两个线程同时a++，猜一下结果

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
/** * 不使用synchronized,两个线程同时a++ * * @author JSON */public class SynchronizedTest1 implements Runnable{    static SynchronizedTest1 st = new SynchronizedTest1();
    static int a = 0;
    /**     * 不使用synchronized,两个线程同时a++     */    public static void main(String[] args) throws Exception{        Thread t1 = new Thread(st);        Thread t2 = new Thread(st);        t1.start();        t2.start();        t1.join();        t2.join();        System.out.println(a);    }
    @Override    public void run(){        for(int i=0; i<10000; i++){            a++;        }    }}

预期是20000，但多次执行的结果都小于20000

101081152610736...



二、用法：对象锁和类锁


1、对象锁

  • 代码块形式：手动指定锁对象

  • 方法锁形式：synchronized修饰方法，锁对象默认为this

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
/** * 对象锁实例: 代码块形式 * * @author JSON */public class SynchronizedTest2 implements Runnable{    static SynchronizedTest2 st = new SynchronizedTest2();
    public static void main(String[] args) {        Thread t1 = new Thread(st);        Thread t2 = new Thread(st);        t1.start();        t2.start();        while(t1.isAlive() || t2.isAlive()){
        }        System.out.println("run over");
    }
    @Override    public void run(){        synchronized (this){            System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());            try {                // 模拟执行内容                Thread.sleep(3000);            }catch (Exception e){                e.printStackTrace();            }            System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());        }    }}

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
/** * 对象锁实例：synchronized方法 * @author JSON */public class SynchronizedTest3 implements Runnable{    static SynchronizedTest3 st = new SynchronizedTest3();
    public static void main(String[] args) throws Exception{        Thread t1 = new Thread(st);        Thread t2 = new Thread(st);        t1.start();        t2.start();        t1.join();        t2.join();        System.out.println("run over");    }
    @Override    public void run(){        method();    }
    public synchronized void method(){        System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());        try {            // 模拟执行内容            Thread.sleep(3000);        }catch (Exception e){            e.printStackTrace();        }        System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());    }}

结果：

开始执行:Thread-0执行结束:Thread-0开始执行:Thread-1执行结束:Thread-1run over

2、类锁

概念：Java类可能有多个对象，但只有一个Class对象

本质：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

形式1：synchronized加载static方法上

形式2：synchronized(*.class)代码块

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
/** * 类锁：synchronized加载static方法上 * * @author JSON */public class SynchronizedTest4 implements Runnable{
    static SynchronizedTest4 st1 = new SynchronizedTest4();    static SynchronizedTest4 st2 = new SynchronizedTest4();
    public static void main(String[] args) throws Exception{        Thread t1 = new Thread(st1);        Thread t2 = new Thread(st2);        t1.start();        t2.start();        t1.join();        t2.join();        System.out.println("run over");    }
    @Override    public void run(){        method();    }
    public static synchronized void method(){        System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());        try {            // 模拟执行内容            Thread.sleep(3000);        }catch (Exception e){            e.printStackTrace();        }        System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());    }}

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
/** * 类锁：synchronized(*.class)代码块 * * @author JSON */public class SynchronizedTest5 implements Runnable{    static SynchronizedTest4 st1 = new SynchronizedTest4();    static SynchronizedTest4 st2 = new SynchronizedTest4();
    public static void main(String[] args) throws Exception{        Thread t1 = new Thread(st1);        Thread t2 = new Thread(st2);        t1.start();        t2.start();        t1.join();        t2.join();        System.out.println("run over");    }
    @Override    public void run(){        method();    }
    public void method(){        synchronized(SynchronizedTest5.class){            System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());            try {                // 模拟执行内容                Thread.sleep(3000);            }catch (Exception e){                e.printStackTrace();            }            System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());        }    }}

结果：

开始执行:Thread-0执行结束:Thread-0开始执行:Thread-1执行结束:Thread-1run over



三、多线程访问同步方法的7种情况



  1. 两个线程同时访问一个对象的相同的synchronized方法

  2. 两个线程同时访问两个对象的相同的synchronized方法

  3. 两个线程同时访问两个对象的相同的static的synchronized方法

  4. 两个线程同时访问同一对象的synchronized方法与非synchronized方法

  5. 两个线程访问同一对象的不同的synchronized方法

  6. 两个线程同时访问同一对象的static的synchronized方法与非static的synchronized方法

  7. 方法抛出异常后，会释放锁吗

仔细看下面示例代码结果输出的结果，注意输出时间间隔，来预测结论

场景1：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
/** * 两个线程同时访问一个对象的相同的synchronized方法 * * @author JSON */public class SynchronizedScene1 implements Runnable{    static SynchronizedScene1 ss = new SynchronizedScene1();
    public static void main(String[] args) throws Exception{        Thread t1 = new Thread(ss);        Thread t2 = new Thread(ss);        t1.start();        t2.start();        t1.join();        t2.join();        System.out.println("run over");    }
    @Override    public void run(){        method();    }
    public synchronized void method(){        System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());        try {            // 模拟执行内容            Thread.sleep(3000);        }catch (Exception e){            e.printStackTrace();        }        System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());    }}

场景2：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
/** * 两个线程同时访问两个对象的相同的synchronized方法 * * @author JSON */public class SynchronizedScene2 implements Runnable{    static SynchronizedScene2 ss1 = new SynchronizedScene2();    static SynchronizedScene2 ss2 = new SynchronizedScene2();
    public static void main(String[] args) throws Exception{        Thread t1 = new Thread(ss1);        Thread t2 = new Thread(ss2);        t1.start();        t2.start();        t1.join();        t2.join();        System.out.println("run over");    }
    @Override    public void run(){        method();    }
    public synchronized void method(){        System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());        try {            // 模拟执行内容            Thread.sleep(3000);        }catch (Exception e){            e.printStackTrace();        }        System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());    }}

场景3：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
/** * 两个线程同时访问两个对象的相同的static的synchronized方法 * * @author JSON */public class SynchronizedScene3 implements Runnable{    static SynchronizedScene3 ss1 = new SynchronizedScene3();    static SynchronizedScene3 ss2 = new SynchronizedScene3();
    public static void main(String[] args) throws Exception{        Thread t1 = new Thread(ss1);        Thread t2 = new Thread(ss2);        t1.start();        t2.start();        t1.join();        t2.join();        System.out.println("run over");    }
    @Override    public void run(){        method();    }
    public synchronized static void method(){        System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());        try {            // 模拟执行内容            Thread.sleep(3000);        }catch (Exception e){            e.printStackTrace();        }        System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());    }}

场景4：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
/** * 两个线程同时访问同一对象的synchronized方法与非synchronized方法 * * @author JSON */public class SynchronizedScene4 implements Runnable{    static SynchronizedScene4 ss1 = new SynchronizedScene4();
    public static void main(String[] args) throws Exception{        Thread t1 = new Thread(ss1);        Thread t2 = new Thread(ss1);        t1.start();        t2.start();        t1.join();        t2.join();        System.out.println("run over");    }
    @Override    public void run(){        // 模拟两个线程同时访问 synchronized方法与非synchronized方法        if(Thread.currentThread().getName().equals("Thread-0")){            method1();        }else{            method2();        }    }
    public void method1(){        System.out.println("method1开始执行:" + Thread.currentThread().getName());        try {            // 模拟执行内容            Thread.sleep(3000);        }catch (Exception e){            e.printStackTrace();        }        System.out.println("method1执行结束:" + Thread.currentThread().getName());    }
    public synchronized void method2(){        System.out.println("method2开始执行:" + Thread.currentThread().getName());        try {            // 模拟执行内容            Thread.sleep(3000);        }catch (Exception e){            e.printStackTrace();        }        System.out.println("method2执行结束:" + Thread.currentThread().getName());    }}

场景5：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
/** * 两个线程访问同一对象的不同的synchronized方法 * * @author JSON */public class SynchronizedScene5 implements Runnable{    static SynchronizedScene5 ss1 = new SynchronizedScene5();
    public static void main(String[] args) throws Exception{        Thread t1 = new Thread(ss1);        Thread t2 = new Thread(ss1);        t1.start();        t2.start();        t1.join();        t2.join();        System.out.println("run over");    }
    @Override    public void run(){        // 模拟两个线程同时访问不同的synchronized方法        if(Thread.currentThread().getName().equals("Thread-0")){            method1();        }else{            method2();        }    }
    public synchronized void method1(){        System.out.println("method1开始执行:" + Thread.currentThread().getName());        try {            // 模拟执行内容            Thread.sleep(3000);        }catch (Exception e){            e.printStackTrace();        }        System.out.println("method1执行结束:" + Thread.currentThread().getName());    }
    public synchronized void method2(){        System.out.println("method2开始执行:" + Thread.currentThread().getName());        try {            // 模拟执行内容            Thread.sleep(3000);        }catch (Exception e){            e.printStackTrace();        }        System.out.println("method2执行结束:" + Thread.currentThread().getName());    }}

场景6：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
/** * 两个线程同时访问同一对象的static的synchronized方法与非static的synchronized方法 * * @author JSON */public class SynchronizedScene6 implements Runnable{    static SynchronizedScene6 ss1 = new SynchronizedScene6();
    public static void main(String[] args) throws Exception{        Thread t1 = new Thread(ss1);        Thread t2 = new Thread(ss1);        t1.start();        t2.start();        t1.join();        t2.join();        System.out.println("run over");    }
    @Override    public void run(){        // 模拟两个线程同时访问static的synchronized方法与非static的synchronized方法        if(Thread.currentThread().getName().equals("Thread-0")){            method1();        }else{            method2();        }    }
    public static synchronized void method1(){        System.out.println("method1开始执行:" + Thread.currentThread().getName());        try {            // 模拟执行内容            Thread.sleep(3000);        }catch (Exception e){            e.printStackTrace();        }        System.out.println("method1执行结束:" + Thread.currentThread().getName());    }
    public synchronized void method2(){        System.out.println("method2开始执行:" + Thread.currentThread().getName());        try {            // 模拟执行内容            Thread.sleep(3000);        }catch (Exception e){            e.printStackTrace();        }        System.out.println("method2执行结束:" + Thread.currentThread().getName());    }}

场景7：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
/** * 方法抛出异常后，会释放锁吗 * * @author JSON */public class SynchronizedScene7 implements Runnable{    static SynchronizedScene7 ss1 = new SynchronizedScene7();
    public static void main(String[] args) throws Exception{        Thread t1 = new Thread(ss1);        Thread t2 = new Thread(ss1);        t1.start();        t2.start();        t1.join();        t2.join();        System.out.println("run over");    }
    @Override    public void run(){        method1();    }
    public synchronized void method1(){        System.out.println("method1开始执行:" + Thread.currentThread().getName());        try {            // 模拟执行内容            Thread.sleep(3000);        }catch (Exception e){            e.printStackTrace();        }        // 模拟异常        throw new RuntimeException();        //System.out.println("method1执行结束:" + Thread.currentThread().getName());    }}

总结：

1、两个线程同时访问一个对象的相同的synchronized方法

同一实例拥有同一把锁，其他线程必然等待，顺序执行

2、两个线程同时访问两个对象的相同的synchronized方法

不同的实例拥有的锁是不同的，所以不影响，并行执行

3、两个线程同时访问两个对象的相同的static的synchronized方法

静态同步方法，是类锁，所有实例是同一把锁，其他线程必然等待，顺序执行

4、两个线程同时访问同一对象的synchronized方法与非synchronized方法

非synchronized方法不受影响，并行执行

5、两个线程访问同一对象的不同的synchronized方法

同一实例拥有同一把锁，所以顺序执行（说明：锁的是this对象==同一把锁）

6、两个线程同时访问同一对象的static的synchronized方法与非static的synchronized方法

static同步方法是类锁，非static是对象锁，原理上是不同的锁，所以不受影响，并行执行

7、方法抛出异常后，会释放锁吗

会自动释放锁，这里区别Lock，Lock需要显示的释放锁

3个核心思想：

  • 一把锁只能同时被一个线程获取，没有拿到锁的线程必须等待（对应1、5的情景）

  • 每个实例都对应有自己的一把锁，不同的实例之间互不影响；例外：锁对象是*.class以及synchronized被static修饰的时候，所有对象共用同一把锁（对应2、3、4、6情景）

  • 无论是方法正常执行完毕还是方法抛出异常，都会释放锁（对应7情景）

补充：

问题：目前进入到被synchronized修饰的方法，这个方法里边调用了非synchronized方法，是线程安全的吗？

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
/** * 目前进入到被synchronized修饰的方法，这个方法里边调用了非synchronized方法，是线程安全的吗？ * * @author JSON */public class SynchronizedScene8 {    public static void main(String[] args) {        new Thread(() -> {            method1();        }).start();
        new Thread(() -> {            method1();        }).start();    }
    public static synchronized void method1() {        method2();    }
    private static void method2() {        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入非Synchronized方法");        try {            Thread.sleep(3000);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束非Synchronized方法");    }}

结论：这样是线程安全的



四、性质


1、可重入

指的是同一线程的外层函数获取锁之后，内层函数可以直接再次获取该锁

Java典型的可重入锁：synchronized、ReentrantLock

好处：避免死锁，提升封装性

粒度：线程而非调用

  • 情况1：证明同一方法是可重入的

  • 情况2：证明可重入不要求是同一方法

  • 情况3：证明可重入不要求是同一类中的


2、不可中断

一旦这个锁被别的线程获取了，如果我现在想获得，我只能选择等待或者阻塞，直到别的线程释放这个锁，如果别的线程永远不释放锁，那么我只能永远的等待下去。

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



五、原理



1、加解锁原理（现象、时机、深入JVM看字节码）

现象：每一个类的实例对应一把锁，每一个synchronized方法都必须首先获得调用该方法的类的实例的锁，方能执行，否则就会阻塞，方法执行完成或者抛出异常，锁被释放，被阻塞线程才能获取到该锁，执行。

获取和释放锁的时机：内置锁或监视器锁

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
import java.util.concurrent.locks.Lock;import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/** * method1 等价于 method2 * * @author JSON * @date 2019-08-29 */public class SynchronizedToLock1 {    Lock lock = new ReentrantLock();
    public synchronized void method1(){        System.out.println("执行method1");    }
    public void method2(){        lock.lock();        try {            System.out.println("执行method2");        }catch (Exception e){            e.printStackTrace();        }finally {            lock.unlock();        }    }
    public static void main(String[] args) {        SynchronizedToLock1 sl = new SynchronizedToLock1();
        // method1 等价于 method2        sl.method1();        sl.method2();    }}深入JVM看字节码：...monitorenter指令...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再次获得锁时，计数会递增

每当任务离开时，计数递减，当计数为0的时候，锁被完全释放

3、可见性原理（内存模型）

Java内存模型

线程A向线程B发送数据的过程（JMM控制）

synchronized关键字实现可见性：

被synchronized修饰，那么执行完成后，对对象所做的任何修改都要在释放锁之前，都要从线程内存写入到主内存，所以主内存中的数据是最新的。



六、缺陷


1、效率低

     1)、锁的释放情况少（线程执行完成或者异常情况释放）

     2)、试图获得锁时不能设定超时（只能等待）

     3)、不能中断一个正在试图获得锁的线程（不能中断）

2、不够灵活

加锁和释放的时机比较单一，每个锁仅有单一的条件（某个对象），可能是不够的

比如：读写锁更灵活

3、无法预判是否成功获取到锁



七、常见问题



1、synchronized关键字注意点：

  • 锁对象不能为空

  • 作用域不宜过大

  • 避免死锁

2、如何选择Lock和synchronized关键字？

总结建议（优先避免出错的原则）：

  • 如果可以的话，尽量优先使用java.util.concurrent各种类（不需要考虑同步工作，不容易出错）

  • 优先使用synchronized，这样可以减少编写代码的量，从而可以减少出错率

  • 若用到Lock或Condition独有的特性，才使用Lock或Condition



八、总结



一句话总结synchronized：

JVM会自动通过使用monitor来加锁和解锁，保证了同一时刻只有一个线程可以执行指定的代码，从而保证线程安全，同时具有可重入和不可中断的特性。

今天就分享这么多，关于Java之 synchronized，你学会了多少？欢迎在留言区评论，对于有价值的留言，我们都会一一回复的。如果觉得文章对你有一丢丢帮助，请点右下角【在看】，让更多人看到该文章。

来源 : https://cnblogs.com/JsonShare/p/11433302.html

——————END——————

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