多线程系列(三) -synchronized 关键字使用详解
一、简介
在之前的线程系列文章中，我们介绍了线程创建的几种方式以及常用的方法介绍。
今天我们接着聊聊多线程线程安全的问题，以及解决办法。
实际上，在多线程环境中，难免会出现多个线程对一个对象的实例变量进行同时访问和操作，如果编程处理不当，会产生脏读现象。
二、线程安全问题介绍
我们先来看一个简单的线程安全问题的例子！
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) {
// 初始化数据实体
DataEntity entity = new DataEntity();
//使用多线程编程对数据进行计算
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());
}
}
多次运行结果如下：
第一次运行：result: 9788554
第二次运行：result: 9861461
第三次运行：result: 6412249
...
上面的代码中，总共开启了 10 个线程，每个线程都累加了 1000000 次，如果结果正确的话，自然而然总数就应该是 10 * 1000000 = 10000000。
但是多次运行结果都不是这个数，而且每次运行结果都不一样，为什么会出现这个结果呢？
简单的说，这是主内存和线程的工作内存数据不一致，以及多线程执行时无序，共同造成的结果！
我们先简单的了解一下 Java 的内存模型，后期我们在介绍里面的原理！
如上图所示，线程 A 和线程 B 之间，如果要完成数据通信的话，需要经历以下几个步骤：
- 1.线程 A 从主内存中将共享变量读入线程 A 的工作内存后并进行操作，之后将数据重新写回到主内存中；
- 2.线程 B 从主存中读取最新的共享变量，然后存入自己的工作内存中，再进行操作，数据操作完之后再重新写入到主内存中；
如果线程 A 更新后数据并没有及时写回到主存，而此时线程 B 从主内存中读到的数据，可能就是过期的数据，于是就会出现“脏读”现象。
因此在多线程环境下，如果不进行一定干预处理，可能就会出现像上文介绍的那样，采用多线程编程时，程序的实际运行结果与预期会不一致，就会产生非常严重的问题。
针对多线程编程中，程序运行不安全的问题，Java 提供了synchronized关键字来解决这个问题，当多个线程同时访问共享资源时，会保证线程依次排队操作共享变量，从而保证程序的实际运行结果与预期一致。
我们对上面示例中的DataEntity.addCount()方法进行改造，再看看效果如下。
public class DataEntity {
private int count = 0;
/**
* 在方法上加上 synchronized 关键字
*/
public synchronized void addCount(){
count++;
}
public int getCount(){
return count;
}
}
多次运行结果如下：
第一次运行：result: 10000000
第二次运行：result: 10000000
第三次运行：result: 10000000
...
运行结果与预期一致！
三、synchronized 使用详解
synchronized作为 Java 中的关键字，在多线程编程中，有着非常重要的地位，也是新手了解并发编程的基础，从功能角度看，它有以下几个比较重要的特性：
- 原子性：即一个或多个操作要么全部执行成功，要么全部执行失败。
synchronized关键字可以保证只有一个线程拿到锁，访问共享资源 - 可见性：即一个线程对共享变量进行修改后，其他线程可以立刻看到。执行
synchronized时，线程获取锁之后，一定从主内存中读取数据，释放锁之前，一定会将数据写回主内存，从而保证内存数据可见性 - 有序性：即保证程序的执行顺序会按照代码的先后顺序执行。
synchronized关键字，可以保证每个线程依次排队操作共享变量
synchronized也被称为同步锁，它可以把任意一个非 NULL 的对象当成锁，只有拿到锁的线程能进入方法体，并且只有一个线程能进入，其他的线程必须等待锁释放了才能进入，它属于独占式的悲观锁，同时也属于可重入锁。
关于锁的知识，我们后面在介绍，大家先了解一下就行。
从实际的使用角度来看，synchronized修饰的对象有以下几种：
- 修饰一个方法：被修饰的方法称为同步方法，其作用的范围是整个方法，作用的对象是调用这个方法的对象
- 修饰一个静态的方法：其作用的范围是整个静态方法，作用的对象是这个类的所有对象
- 修饰一个代码块：被修饰的代码块称为同步语句块，其作用的范围是大括号
{}括起来的代码，作用的对象是调用这个代码块的对象，使用上比较灵活
下面我们一起来看看它们的具体用法。
3.1、修饰一个方法
当synchronized修饰一个方法时，多个线程访问同一个对象，哪个线程持有该方法所属对象的锁，就拥有执行权限，否则就只能等待。
如果多线程访问的不是同一个对象，不会起到保证线程同步的作用。
示例如下：
public class DataEntity {
private int count;
/**
* 在方法上加上 synchronized 关键字
*/
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) {
// 初始化数据实体
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());
}
}
运行结果如下：
Thread-0:0
Thread-0:1
Thread-0:2
Thread-1:3
Thread-1:4
Thread-1:5
result: 6
当两个线程共同操作一个对象时，此时每个线程都会依次排队执行。
假如两个线程操作的不是一个对象，此时没有任何效果，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());
}
}
运行结果如下：
Thread-0:0
Thread-1:0
Thread-0:1
Thread-1:1
Thread-0:2
Thread-1:2
result: 3
result: 3
从结果上可以看出，当synchronized修饰一个方法，当多个线程访问同一个对象的方法，每个线程会依次排队；如果访问的不是一个对象，线程不会进行排队，像正常执行一样。
3.2、修饰一个静态的方法
synchronized修改一个静态的方法时，代表的是对当前.java文件对应的 Class 类加锁，不区分对象实例。
示例如下：
public class DataEntity {
private static int count;
/**
* 在静态方法上加上 synchronized 关键字
*/
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());
}
}
运行结果如下：
Thread-0:0
Thread-0:1
Thread-0:2
Thread-1:3
Thread-1:4
Thread-1:5
result: 6
静态同步方法和非静态同步方法持有的是不同的锁，前者是类锁，后者是对象锁，类锁可以理解为这个类的所有对象。
3.3、修饰一个代码块
synchronized用于修饰一个代码块时，只会控制代码块内的执行顺序，其他试图访问该对象的线程将被阻塞，编程比较灵活，在实际开发中用的应用比较广泛。
示例如下
public class DataEntity {
private int count;
/**
* 在方法上加上 synchronized 关键字
*/
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) {
// 初始化数据实体
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());
}
}
运行结果如下：
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，表示的是当前类实例的对象，效果等同于public synchronized void addCount()。
除此之外，synchronized()还可以修饰任意实例对象，作用的范围就是具体的实例对象。
比如，修饰个自定义的类实例对象，作用的范围是拥有lock对象，其实也等价于synchronized (this)。
public class DataEntity {
private Object lock = new Object();
/**
* synchronized 可以修饰任意实例对象
*/
public void addCount(){
synchronized (lock){
// todo...
}
}
}
当然也可以用于修饰类，表示类锁，效果等同于public synchronized static void addCount()。
public class DataEntity {
/**
* synchronized 可以修饰类，表示类锁
*/
public void addCount(){
synchronized (DataEntity.class){
// todo...
}
}
}
synchronized修饰代码块，比较经典的应用案例，就是单例设计模式中的双重校验锁实现。
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;
}
}
采用代码块的实现方式，编程会更加灵活，可以显著的提升并发查询的效率。
四、synchronized 锁重入介绍
synchronized关键字拥有锁重入的功能，所谓锁重入的意思就是：当一个线程得到一个对象锁后，再次请求此对象锁时可以再次得到该对象的锁，而无需等待。
我们看个例子就能明白。
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) {
// 初始化数据实体
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());
}
}
运行结果如下：
Thread-0:0
Thread-0:1
Thread-0:2
Thread-1:3
Thread-1:4
Thread-1:5
result: 6
从结果上看线程没有交替执行，线程Thread-0获取到锁之后，再次调用其它带有synchronized关键字的方法时，可以快速进入，而Thread-1线程需等待对象锁完全释放之后再获取，这就是锁重入。
五、小结
从上文中我们可以得知，在多线程环境下，恰当的使用synchronized关键字可以保证线程同步，使程序的运行结果与预期一致。
- 1.当
synchronized修饰一个方法时，作用的范围是整个方法，作用的对象是调用这个方法的对象； - 2..当
synchronized修饰一个静态方法时，作用的范围是整个静态方法，作用的对象是这个类的所有对象； - 3.当
synchronized修饰一个代码块时，作用的范围是代码块，作用的对象是修饰的内容，如果是类，则这个类的所有对象都会受到控制；如果是任意对象实例子，则控制的是具体的对象实例，谁拥有这个对象锁，就能进入方法体
synchronized是一种同步锁，属于独占式，使用它进行线程同步，JVM 性能开销很大，大量的使用未必会带来好处。
关于更深入的原理知识，我们会在 JVM 系列中进行详解。文章内容难免有所遗漏，欢迎网友留言指出。
