淺談 Synchronized 的幾種用法，超多干貨！
01、背景介紹
說到并發(fā)編程，總繞不開線程安全的問題。
實際上，在多線程環(huán)境中，難免會出現(xiàn)多個線程對一個對象的實例變量進行同時訪問和操作，如果編程處理不當(dāng)，會產(chǎn)生臟讀現(xiàn)象。
02、線程安全問題回顧
我們先來看一個簡單的線程安全問題的例子！
public class DataEntity {
private int count = 0;
public void addCount(){
count++;
}
public int getCount(){
return count;
}
}public class MyThread extends Thread {
private DataEntity entity;
public MyThread(DataEntity entity) {
this.entity = entity;
}
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
entity.addCount();
}
}
}public class MyThreadTest {
public static void main(String[] args) {
// 初始化數(shù)據(jù)實體
DataEntity entity = new DataEntity();
//使用多線程編程對數(shù)據(jù)進行計算
for (int i = 0; i < 10; i++) {
MyThread thread = new MyThread(entity);
thread.start();
}
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("result: " + entity.getCount());
}
}多次運行結(jié)果如下：
第一次運行：result: 9788554
第二次運行：result: 9861461
第三次運行：result: 6412249
...上面的代碼中，總共開啟了 10 個線程，每個線程都累加了 1000000 次，如果結(jié)果正確的話，自然而然總數(shù)就應(yīng)該是 10 * 1000000 = 10000000。
但是多次運行結(jié)果都不是這個數(shù)，而且每次運行結(jié)果都不一樣，為什么會出現(xiàn)這個結(jié)果呢？
簡單的說，這是主內(nèi)存和線程的工作內(nèi)存數(shù)據(jù)不一致，以及多線程執(zhí)行時無序，共同造成的結(jié)果！
我們先簡單的了解一下 Java 的內(nèi)存模型，后期我們在介紹里面的原理！
圖片
如上圖所示，線程 A 和線程 B 之間，如果要完成數(shù)據(jù)通信的話，需要經(jīng)歷以下幾個步驟：
- 1.線程 A 從主內(nèi)存中將共享變量讀入線程 A 的工作內(nèi)存后并進行操作，之后將數(shù)據(jù)重新寫回到主內(nèi)存中；
- 2.線程 B 從主存中讀取最新的共享變量，然后存入自己的工作內(nèi)存中，再進行操作，數(shù)據(jù)操作完之后再重新寫入到主內(nèi)存中；
如果線程 A 更新后數(shù)據(jù)并沒有及時寫回到主存，而此時線程 B 從主內(nèi)存中讀到的數(shù)據(jù)，可能就是過期的數(shù)據(jù)，于是就會出現(xiàn)“臟讀”現(xiàn)象。
因此在多線程環(huán)境下，如果不進行一定干預(yù)處理，可能就會出現(xiàn)像上文介紹的那樣，采用多線程編程時，程序的實際運行結(jié)果與預(yù)期會不一致，就會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的問題。
針對多線程編程中，程序運行不安全的問題，Java 提供了synchronized關(guān)鍵字來解決這個問題，當(dāng)多個線程同時訪問共享資源時，會保證線程依次排隊操作共享變量，從而保證程序的實際運行結(jié)果與預(yù)期一致。
我們對上面示例中的DataEntity.addCount()方法進行改造，再看看效果如下。
public class DataEntity {
private int count = 0;
/**
* 在方法上加上 synchronized 關(guān)鍵字
*/
public synchronized void addCount(){
count++;
}
public int getCount(){
return count;
}
}多次運行結(jié)果如下：
第一次運行：result: 10000000
第二次運行：result: 10000000
第三次運行：result: 10000000
...運行結(jié)果與預(yù)期一致！
03、synchronized 使用詳解
synchronized作為 Java 中的關(guān)鍵字，在多線程編程中，有著非常重要的地位，也是新手了解并發(fā)編程的基礎(chǔ)，從功能角度看，它有以下幾個比較重要的特性：
- 原子性：即一個或多個操作要么全部執(zhí)行成功，要么全部執(zhí)行失敗。synchronized關(guān)鍵字可以保證只有一個線程拿到鎖，訪問共享資源
- 可見性：即一個線程對共享變量進行修改后，其他線程可以立刻看到。執(zhí)行synchronized時，線程獲取鎖之后，一定從主內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，釋放鎖之前，一定會將數(shù)據(jù)寫回主內(nèi)存，從而保證內(nèi)存數(shù)據(jù)可見性
- 有序性：即保證程序的執(zhí)行順序會按照代碼的先后順序執(zhí)行。synchronized關(guān)鍵字，可以保證每個線程依次排隊操作共享變量
synchronized也被稱為同步鎖，它可以把任意一個非 NULL 的對象當(dāng)成鎖，只有拿到鎖的線程能進入方法體，并且只有一個線程能進入，其他的線程必須等待鎖釋放了才能進入，它屬于獨占式的悲觀鎖，同時也屬于可重入鎖。
關(guān)于鎖的知識，我們后面在介紹，大家先了解一下就行。
從實際的使用角度來看，synchronized修飾的對象有以下幾種：
- 修飾一個方法：被修飾的方法稱為同步方法，其作用的范圍是整個方法，作用的對象是調(diào)用這個方法的對象
- 修飾一個靜態(tài)的方法：其作用的范圍是整個靜態(tài)方法，作用的對象是這個類的所有對象
- 修飾一個代碼塊：被修飾的代碼塊稱為同步語句塊，其作用的范圍是大括號{}括起來的代碼，作用的對象是調(diào)用這個代碼塊的對象，使用上比較靈活
下面我們一起來看看它們的具體用法。
3.1、修飾一個方法
當(dāng)synchronized修飾一個方法時，多個線程訪問同一個對象，哪個線程持有該方法所屬對象的鎖，就擁有執(zhí)行權(quán)限，否則就只能等待。
如果多線程訪問的不是同一個對象，不會起到保證線程同步的作用。
示例如下：
public class DataEntity {
private int count;
/**
* 在方法上加上 synchronized 關(guān)鍵字
*/
public synchronized void addCount(){
for (int i = 0; i < 3; i++) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public int getCount() {
return count;
}
}public class MyThreadA extends Thread {
private DataEntity entity;
public MyThreadA(DataEntity entity) {
this.entity = entity;
}
@Override
public void run() {
entity.addCount();
}
}public class MyThreadB extends Thread {
private DataEntity entity;
public MyThreadB(DataEntity entity) {
this.entity = entity;
}
@Override
public void run() {
entity.addCount();
}
}public class MyThreadTest {
public static void main(String[] args) {
// 初始化數(shù)據(jù)實體
DataEntity entity = new DataEntity();
MyThreadA threadA = new MyThreadA(entity);
threadA.start();
MyThreadB threadB = new MyThreadB(entity);
threadB.start();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("result: " + entity.getCount());
}
}運行結(jié)果如下：
Thread-0:0
Thread-0:1
Thread-0:2
Thread-1:3
Thread-1:4
Thread-1:5
result: 6當(dāng)兩個線程共同操作一個對象時，此時每個線程都會依次排隊執(zhí)行。
假如兩個線程操作的不是一個對象，此時沒有任何效果，示例如下：
public class MyThreadTest {
public static void main(String[] args) {
DataEntity entity1 = new DataEntity();
MyThreadA threadA = new MyThreadA(entity1);
threadA.start();
DataEntity entity2 = new DataEntity();
MyThreadA threadB = new MyThreadA(entity2);
threadB.start();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("result: " + entity1.getCount());
System.out.println("result: " + entity2.getCount());
}
}運行結(jié)果如下：
Thread-0:0
Thread-1:0
Thread-0:1
Thread-1:1
Thread-0:2
Thread-1:2
result: 3
result: 3從結(jié)果上可以看出，當(dāng)synchronized修飾一個方法，當(dāng)多個線程訪問同一個對象的方法，每個線程會依次排隊；如果訪問的不是一個對象，線程不會進行排隊，像正常執(zhí)行一樣。
3.2、修飾一個靜態(tài)的方法
synchronized修改一個靜態(tài)的方法時，代表的是對當(dāng)前.java文件對應(yīng)的 Class 類加鎖，不區(qū)分對象實例。
示例如下：
public class DataEntity {
private static int count;
/**
* 在靜態(tài)方法上加上 synchronized 關(guān)鍵字
*/
public synchronized static void addCount(){
for (int i = 0; i < 3; i++) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static int getCount() {
return count;
}
}public class MyThreadA extends Thread {
@Override
public void run() {
DataEntity.addCount();
}
}public class MyThreadB extends Thread {
@Override
public void run() {
DataEntity.addCount();
}
}public class MyThreadTest {
public static void main(String[] args) {
MyThreadA threadA = new MyThreadA();
threadA.start();
MyThreadB threadB = new MyThreadB();
threadB.start();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("result: " + DataEntity.getCount());
}
}運行結(jié)果如下：
Thread-0:0
Thread-0:1
Thread-0:2
Thread-1:3
Thread-1:4
Thread-1:5
result: 6靜態(tài)同步方法和非靜態(tài)同步方法持有的是不同的鎖，前者是類鎖，后者是對象鎖，類鎖可以理解為這個類的所有對象。
3.3、修飾一個代碼塊
synchronized用于修飾一個代碼塊時，只會控制代碼塊內(nèi)的執(zhí)行順序，其他試圖訪問該對象的線程將被阻塞，編程比較靈活，在實際開發(fā)中用的應(yīng)用比較廣泛。
示例如下
public class DataEntity {
private int count;
/**
* 在方法上加上 synchronized 關(guān)鍵字
*/
public void addCount(){
synchronized (this){
for (int i = 0; i < 3; i++) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
public int getCount() {
return count;
}
}public class MyThreadTest {
public static void main(String[] args) {
// 初始化數(shù)據(jù)實體
DataEntity entity = new DataEntity();
MyThreadA threadA = new MyThreadA(entity);
threadA.start();
MyThreadB threadB = new MyThreadB(entity);
threadB.start();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("result: " + entity.getCount());
}
}運行結(jié)果如下：
Thread-0:0
Thread-0:1
Thread-0:2
Thread-1:3
Thread-1:4
Thread-1:5
result: 6其中synchronized (this)中的this，表示的是當(dāng)前類實例的對象，效果等同于public synchronized void addCount()。
除此之外，synchronized()還可以修飾任意實例對象，作用的范圍就是具體的實例對象。
比如，修飾個自定義的類實例對象，作用的范圍是擁有l(wèi)ock對象，其實也等價于synchronized (this)。
public class DataEntity {
private Object lock = new Object();
/**
* synchronized 可以修飾任意實例對象
*/
public void addCount(){
synchronized (lock){
// todo...
}
}
}當(dāng)然也可以用于修飾類，表示類鎖，效果等同于public synchronized static void addCount()。
public class DataEntity {
/**
* synchronized 可以修飾類，表示類鎖
*/
public void addCount(){
synchronized (DataEntity.class){
// todo...
}
}
}synchronized修飾代碼塊，比較經(jīng)典的應(yīng)用案例，就是單例設(shè)計模式中的雙重校驗鎖實現(xiàn)。
public class Singleton {
private volatile static Singleton singleton;
private Singleton (){}
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}采用代碼塊的實現(xiàn)方式，編程會更加靈活，可以顯著的提升并發(fā)查詢的效率。
04、synchronized 鎖重入介紹
synchronized關(guān)鍵字擁有鎖重入的功能，所謂鎖重入的意思就是：當(dāng)一個線程得到一個對象鎖后，再次請求此對象鎖時可以再次得到該對象的鎖，而無需等待。
我們看個例子就能明白。
public class DataEntity {
private int count = 0;
public synchronized void addCount1(){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
addCount2();
}
public synchronized void addCount2(){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
addCount3();
}
public synchronized void addCount3(){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
}
public int getCount() {
return count;
}
}public class MyThreadA extends Thread {
private DataEntity entity;
public MyThreadA(DataEntity entity) {
this.entity = entity;
}
@Override
public void run() {
entity.addCount1();
}
}public class MyThreadB extends Thread {
private DataEntity entity;
public MyThreadB(DataEntity entity) {
this.entity = entity;
}
@Override
public void run() {
entity.addCount1();
}
}public class MyThreadTest {
public static void main(String[] args) {
// 初始化數(shù)據(jù)實體
DataEntity entity = new DataEntity();
MyThreadA threadA = new MyThreadA(entity);
threadA.start();
MyThreadB threadB = new MyThreadB(entity);
threadB.start();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("result: " + entity.getCount());
}
}運行結(jié)果如下：
Thread-0:0
Thread-0:1
Thread-0:2
Thread-1:3
Thread-1:4
Thread-1:5
result: 6從結(jié)果上看線程沒有交替執(zhí)行，線程Thread-0獲取到鎖之后，再次調(diào)用其它帶有synchronized關(guān)鍵字的方法時，可以快速進入，而Thread-1線程需等待對象鎖完全釋放之后再獲取，這就是鎖重入。
04、小結(jié)
從上文中我們可以得知，在多線程環(huán)境下，恰當(dāng)?shù)氖褂胹ynchronized關(guān)鍵字可以保證線程同步，使程序的運行結(jié)果與預(yù)期一致。
- 1.當(dāng)synchronized修飾一個方法時，作用的范圍是整個方法，作用的對象是調(diào)用這個方法的對象；
- 2..當(dāng)synchronized修飾一個靜態(tài)方法時，作用的范圍是整個靜態(tài)方法，作用的對象是這個類的所有對象；
- 3.當(dāng)synchronized修飾一個代碼塊時，作用的范圍是代碼塊，作用的對象是修飾的內(nèi)容，如果是類，則這個類的所有對象都會受到控制；如果是任意對象實例子，則控制的是具體的對象實例，誰擁有這個對象鎖，就能進入方法體
synchronized是一種同步鎖，屬于獨占式，使用它進行線程同步，JVM 性能開銷很大，大量的使用未必會帶來好處。
