面了一个25岁的学妹,把synchronized关键字讲的那叫一个透彻

沉默王二2022年9月14日
大约 9 分钟

二哥:“三妹,今天我们来学习 synchronized 关键字的应用方式和内存语义吧。”

三妹(颜值在线,气质也在线):“好的。”

前言

建议大家先看前面的文章《Java 并发编程系列 1-基础知识open in new window》,特别是并发编程相关的可见性、有序性,以及内存模型 JMM 等。

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)。

synchronized 的三种应用方式

synchronized 关键字最主要有以下 3 种应用方式,下面分别介绍:

  • 修饰实例方法,作用于当前实例加锁,进入同步代码前要获得当前实例的锁;
  • 修饰静态方法,作用于当前类对象加锁,进入同步代码前要获得当前类对象的锁;
  • 修饰代码块,指定加锁对象,对给定对象加锁,进入同步代码库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<1000000;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("static, i output:" + i);
    }
}
/**
 * 输出结果:
 * static, i output:2000000
 */

如果在函数 increase()前不加 synchronized,因为 i++不具备原子性,所以最终结果会小于 2000000,具体分析可以参考文章《volatileopen in new window》。下面这点非常重要:

一个对象只有一把锁,当一个线程获取了该对象的锁之后,其他线程无法获取该对象的锁,所以无法访问该对象的其他 synchronized 实例方法,但是其他线程还是可以访问该实例对象的其他非 synchronized 方法。

但是一个线程 A 需要访问实例对象 obj1 的 synchronized 方法 f1(当前对象锁是 obj1),另一个线程 B 需要访问实例对象 obj2 的 synchronized 方法 f2(当前对象锁是 obj2),这样是允许的:

public class AccountingSyncBad 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<1000000;j++){
            increase();
        }
    }
    public static void main(String args[]) throws InterruptedException {
        // new 两个AccountingSync新实例
        Thread t1 = new Thread(new AccountingSyncBad());
        Thread t2 = new Thread(new AccountingSyncBad());
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("static, i output:" + i);
    }
}
/**
 * 输出结果:
 * static, i output:1224617
 */

上述代码与前面不同的是我们同时创建了两个新实例 AccountingSyncBad,然后启动两个不同的线程对共享变量 i 进行操作,但很遗憾操作结果是 1224617 而不是期望结果 2000000,因为上述代码犯了严重的错误,虽然我们使用 synchronized 修饰了 increase 方法,但却 new 了两个不同的实例对象,这也就意味着存在着两个不同的实例对象锁,因此 t1 和 t2 都会进入各自的对象锁,也就是说 t1 和 t2 线程使用的是不同的锁,因此线程安全是无法保证的。

每个对象都有一个对象锁,不同的对象,他们的锁不会互相影响。

解决这种困境的的方式是将 synchronized 作用于静态的 increase 方法,这样的话,对象锁就当前类对象,由于无论创建多少个实例对象,但对于的类对象拥有只有一个,所有在这样的情况下对象锁就是唯一的。下面我们看看如何使用将 synchronized 作用于静态的 increase 方法。

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 锁,不属于某个对象。

当前类 class 锁被获取,不影响对象锁的获取,两者互不影响。

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,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,访问时锁不一样不会发生互斥
    public synchronized void increase4Obj() {
        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);
    }
}
/**
 * 输出结果:
 * 2000000
 */

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

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 AccountingSync2 implements Runnable {
    static AccountingSync2 instance = new AccountingSync2(); // 饿汉单例模式
    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);
    }
}
/**
 * 输出结果:
 * 2000000
 */

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++;
    }
}

synchronized 禁止指令重排分析

指令重排的情况,可以参考文章《Java 并发编程系列 1-基础知识open in new window

我们先看如下代码:

class MonitorExample {
    int a = 0;
    public synchronized void writer() {  //1
        a++;                             //2
    }                                    //3
    public synchronized void reader() {  //4
        int i = a;                       //5
        //……
    }                                    //6
}

假设线程 A 执行 writer()方法,随后线程 B 执行 reader()方法。根据 happens before 规则,这个过程包含的 happens before 关系可以分为两类:

  • 根据程序次序规则,1 happens before 2, 2 happens before 3; 4 happens before 5, 5 happens before 6。
  • 根据监视器锁规则,3 happens before 4。
  • 根据 happens before 的传递性,2 happens before 5。

上述 happens before 关系的图形化表现形式如下:

在上图中,每一个箭头链接的两个节点,代表了一个 happens before 关系。黑色箭头表示程序顺序规则;橙色箭头表示监视器锁规则;蓝色箭头表示组合这些规则后提供的 happens before 保证。

上图表示在线程 A 释放了锁之后,随后线程 B 获取同一个锁。在上图中,2 happens before 5。因此,线程 A 在释放锁之前所有可见的共享变量,在线程 B 获取同一个锁之后,将立刻变得对 B 线程可见。

synchronized 的可重入性

从互斥锁的设计上来说,当一个线程试图操作一个由其他线程持有的对象锁的临界资源时,将会处于阻塞状态,但当一个线程再次请求自己持有对象锁的临界资源时,这种情况属于重入锁,请求将会成功。

synchronized 就是可重入锁,因此一个线程调用 synchronized 方法的同时,在其方法体内部调用该对象另一个 synchronized 方法是允许的,如下:

public class AccountingSync implements Runnable{
    static AccountingSync instance=new AccountingSync();
    static int i=0;
    static int j=0;
    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<1000000;j++){
            //this,当前实例对象锁
            synchronized(this){
                i++;
                increase();//synchronized的可重入性
            }
        }
    }
    public synchronized void increase(){
        j++;
    }
    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);
    }
}

当前实例对象锁后进入 synchronized 代码块执行同步代码,并在代码块中调用了当前实例对象的另外一个 synchronized 方法,再次请求当前实例锁时,将被允许。需要特别注意另外一种情况,当子类继承父类时,子类也是可以通过可重入锁调用父类的同步方法。注意由于 synchronized 是基于 monitor 实现的,因此每次重入,monitor 中的计数器仍会加 1。

ending

“三妹,今天就学到这吧。”我扶了扶眼镜对三妹说。

记住 synchronized 的三种应用方式,指令重排情况分析,以及 synchronized 的可重入性,通过今天的学习,你基本可以掌握 synchronized 的使用姿势,以及可能会遇到的坑。


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