Synchronized的那些事
在上一篇博客中，我“蜻蜓点水”般的介绍了下Java内存模型，在这一篇博客，我将带着大家看下Synchronized关键字的那些事，其实把Synchronized关键字放到上一篇博客中去介绍，也是符合 “Java内存模型”这个标题的，因为Synchronized关键字和Java内存模型有着密不可分的关系。但是这样，上一节的内容就太多了。同样的，这一节的内容也相当多。
好了，废话不多说，让我们开始吧，
Synchronized基本使用
首先从一个最简单的例子开始看：
public class Main {
private int num = 0;
private void test() {
for (int i = 0; i < 50; i++) {
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
num++;
}
}
public static void main(String[] args) {
Main main = new Main();
for (int i = 0; i < 20; i++) {
new Thread(() -> {
main.test();
}).start();
}
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
System.out.println(main.num);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
Main方法中开启了20个线程，每个线程执行50次的累加操作，最后打印出来的应该是50*20，也就是1000，但是每次打印出来的都不是1000，而是比1000小的数字。相信这个例子，大家早就烂熟于心了，对解决方案也是手到擒来：
public class Main {
private int num = 0;
private synchronized void test() {
for (int i = 0; i < 50; i++) {
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
num++;
}
}
public static void main(String[] args) {
Main main = new Main();
for (int i = 0; i < 20; i++) {
new Thread(() -> {
main.test();
}).start();
}
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
System.out.println(main.num);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
只要在test方法上加一个synchronized关键字，就OK了。
Synchronized与原子性
为什么会出现这样的问题呢，可能就有一小部分人不知道其中的原因了。
这和Java的内存模型有关系：在Java的内存模型中，保证并发安全的三大特性是 原子性，可见性，有序性。导致这问题出现的原因 便是 num++ 不是原子性操作，它至少有三个操作：
1.把i读取出来
2.做自增计算
3.把值写回i
让我们设想有这样的一个场景：
当num=5
-
A线程执行到num++这一步，读到了num的值为5（因为还没进行自增操作）。
-
B线程也执行到了num++这一步，读到了num的值还是为5（因为A线程中的num还没有来得及进行自增操作）。
-
A线程中的num终于进行了自增操作，num为6。
-
B线程的num也进行了自增操作，num也为6。
可能光用文字描述，还是有点懵，所以我画了一张图来帮助大家理解：
结合文字和图片，应该就可以理解了。
可以看出来，虽然执行了两次自增操作，但是实际的效果只是自增了一次。
所以在第一段代码中，运行的结果并不是1000，而是比1000小的数字。
对于在多线程环境中，出现奇怪的结果或者情况，我们也称为“线程不安全”。
而第二段代码，就是通过Synchronized关键字，把test方法串行化执行了，也就是 A线程执行完test方法，B线程才可以执行test方法。两个线程是互斥的。这样就保证了线程的安全性，最后的结果就是1000。如果从Java内存模型的角度来说，就是保证了操作的“原子性”。
Synchronized几种使用方法
上面的例子是Synchronized关键字的使用方式之一，此时，synchronized标记的是类的实例方法，锁对象是类的实例对象。当然还有其他使用方式：
private static synchronized void test() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(num++);
}
}
此时，synchronized标记的是类的静态方法，锁对象是类。
以上两种，是直接标记在方法上。
还可以包裹代码块：
private void test() {
synchronized (Main.class) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(num++);
}
}
}
此时锁的对象是 类。
private void test() {
synchronized (this) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(num++);
}
}
}
此时锁的对象是类的实例对象。
private Object object = new Object();
private void test() {
synchronized (object) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(num++);
}
}
}
此时，锁对象是Object的对象。
JConsole探究Synchronized关键字
我们需要用到JDK自带的一个工具：JConsole，它位于JDK的bin目录下。
为了让观察更加方便，我们需要给线程起一个名字，每个线程内sleep的时间稍微长一点：
public class Main {
private synchronized void test() {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(20);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) {
Main main = new Main();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
new Thread(() -> {
main.test();
}, "Hello,Thread " + i).start();
}
}
}
我们先启动项目，然后打开JConsole，找到你项目的进程，就可以连接上去了。
可以看到，5个线程已经显示在JConsole里面了：
点击某个线程，可以看到关于线程的一些信息：
其中四个线程都处于BLOCKED，只有一个处于TIME_WAITING，说明只有一个线程获得了锁，并在TIME_WAITING，其余的线程都没有获得锁，没有进入到方法，说明了Synchronized的互斥性。关于线程的状态，这篇不会深入，以后可能会介绍这方面的知识。
因为我是一边写博客，一边执行各种操作的，所以速度上有些跟不上，导致截图和描述不同，大家可以自己去试试。
javap探究Synchronized关键字
为了把问题简单化，让大家看的清楚，我只保留synchronized相关的代码：
public class Main {
public static void main(String[] args) {
synchronized (Main.class) {
}
}
}
编译后，用javap命令查看字节码文件：
javap -v Main.class
用红圈圈出来的就是添加synchronized后带来的命令了。执行同步代码块，先是调用monitorenter命令，执行完毕后，再调用monitorexit命令，为什么会有两个monitorexit呢，一个是正常执行办法后的monitorexit，一个是发生异常后的monitorexit。
synchronized标记方法会是什么情况呢？
public class Main {
public synchronized void Hello(){
System.out.println("Hellol");
}
public static void main(String[] args) {
}
}
锁与Monitor
JVM为每个对象都分配了一个monitor，syncrhoized就是利用monitor来实现加锁，解锁。同一时刻，只有一个线程可以获得monitor，并且执行被包裹的代码块或者方法，其他线程只能等待monitor释放，整个过程是互斥的。monitor拥有一个计数器，当线程获取monitor后，计数器便会+1，释放monitor后，计数器便会-1。那么为什么会是+1，-1 的操作，而不是“获得monitor，计数器=1，释放monitor后，计数器=0”呢？这就涉及到 锁的重入性了。我们还是通过一段简单的代码来看：
public static void main(String[] args) {
synchronized (Main.class){
System.out.println("第一个synchronized");
synchronized (Main.class){
System.out.println("第二个synchronized");
}
}
}
结果：
主线程获取了类锁，打印出 “第一个synchronized”，紧接着主线程又获取了类锁，打印出“第二个synchronized”。
问题来了，第一个类锁明明还没有释放，下面又获取了这个类锁。如果没有“锁的重入性”，这里应该只会打印出 “第一个synchronized”，然后程序就死锁了，因为它会一直等待释放第一个类锁，但是却永远等不到那一刻。
这也就是解释了为什么会是“当线程获取monitor后，计数器便会+1，释放monitor后，计数器便会-1“这样的设计。只有当计数器=0，才代表monitor已经被释放。第二个线程才能再次获取monitor。
当然，锁的重入性是针对于同一个线程来说。
Synchronized与有序性，可见性
在上一篇中，我们简单的介绍了指令重排，知道了三大特性之一的有序性，但是介绍的太简单。这一次，我们把上一次的内容补充下。
其实，指令重排分为两种：
- 编译器重排
- 运行时CPU指令排序
为什么编译器和CPU会做“指令重排”这个“吃力不讨好”的事情呢?当然是为了效率。
指令重排会遵守两个规则：即 self-if-serial 和 happens-before。
我们来举一个例子：
int a=1;//1
int b=5;//2
int c=a+b;//3
这结果显而易见：c=6。
但是这段代码真正交给CPU去执行是按照什么顺序呢，大部分人会认为 ”从上到下"。是的，从大家开始学编程第一天就被灌输了这个思想，但是这仅仅是一个幻觉，真正交给CPU执行，可能是 先执行第二行，然后再执行第一行，最后是第三行。因为第一行和第二行，哪一行先运行，并不影响最终的结果，但是第三行的执行顺序就不能改变了，因为数据存在依懒性。如果改变了第三行的执行顺序，那不乱套了。
编译器，CPU会在不影响单线程程序最终执行的结果的情况下进行“指令重排”。
这就是“ self-if-serial”规则。
这个规则就给程序员造给一种假象，在单线程中，代码都是从上到下执行的，殊不知，编译器和CPU其实在背后偷偷的做了很多事情，而做这些事情的目的只有一个“提高执行的速度”。
在单线程中，我们可能并不需要关心指令重排，因为无论背后进行了多么翻天覆地的“指令重排”都不会影响到最终的执行结果，但是self-if-serial是针对于单线程的，对于多线程，会有第二个规则：happens-before。
happens-before用来表述两个操作之间的关系。如果A happens-before B，也就代表A发生在B之前。
由于两个操作可能处于不同的线程，happens-before规定，如果一个线程A happens-before另外一个线程B，那么A对B可见，正是由于这个规定，我们说Synchronized保证了线程的“可见性”。Synchronized具体是怎么做的呢？当我们获得锁的时候，执行同步代码，线程会被强制从主内存中读取数据，先把主内存的数据复制到本地内存，然后在本地内存进行修改，在释放锁的时候，会把数据写回主内存。
而Synchronized的同步特性，显而易见的保证了“有序性”。
总结一下，Synchronized既可以保证“原子性”，又可以保证“可见性”，还可以保证“有序性”。
Synchronized与单例模式
Synchronized最经典的应用之一就是 懒汉式单例模式 了，如下：
public class Main {
private static Main main;
private Main() {
}
public static Main getInstance() {
if (main == null) {
synchronized (Main.class) {
if (main == null) {
main = new Main();
}
}
}
return main;
}
}
相信这代码，大家已经熟悉的不能再熟悉了，但是在极端情况下，可能会产生意想不到的情况，这个时候，Synchronized的好基友Volatile就出现了，这是我们下一节中要讲的内容。
Synchronized可以说是每次面试必定会出现的问题，平时在多线程开发的时候也会用到，但是真正要理解透彻，还是有不小难度。虽说Synchronized的互斥性，很影响性能，Java也提供了不少更好用的的并发工具，但是Synchronized是并发开发的基础，所以值得花点时间去好好研究。
好了，本节的内容到这里结束了，文章已经相当长了，但是还有一大块东西没有讲：JDK1.6对Synchronized进行的优化，有机会，会再抽出一节的内容来讲讲这个。
