Java之戳中痛点之 synchronized 深度解析
公众号程序猿DD
共 3739字，需浏览 8分钟
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2020-08-21 23:58
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概览：
简介：作用、地位、不控制并发的影响
用法：对象锁和类锁
多线程访问同步方法的7种情况
性质：可重入、不可中断
原理：加解锁原理、可重入原理、可见性原理
缺陷：效率低、不够灵活、无法预判是否成功获取到锁
如何选择Lock或Synchronized
如何提高性能、JVM如何决定哪个线程获取锁
总结
后续会有代码演示，测试环境 JDK8、IDEA
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
10108
11526
10736
...
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-1
run 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-1
run over
三、多线程访问同步方法的7种情况
两个线程同时访问一个对象的相同的synchronized方法
两个线程同时访问两个对象的相同的synchronized方法
两个线程同时访问两个对象的相同的static的synchronized方法
两个线程同时访问同一对象的synchronized方法与非synchronized方法
两个线程访问同一对象的不同的synchronized方法
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
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。
END
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