Java多线程之synchronized详解
一、Synchronized概述
多个线程访问同一个资源时，需要对该资源上锁。即同时只允许一个线程访问该资源。任何线程要执行synchronized里的代码，都必须先拿到锁。synchronized底层实现，JVM并没有规定必须应该如何实现，Hotspot在对象头上（64位）拿出2位来记录该对象是不是被锁定(markword)，即锁定的是某个对象。
1.1、Synchronized作用
1）确保线程互斥的访问同步代码
在同一时间只允许一个线程持有某个对象锁，通过这种特性来实现多线程中的协调机制，这样在同一时间只有一个线程对需同步的代码块(复合操作)进行访问。互斥性我们也往往称为操作的原子性。
2）保证共享变量的修改能够及时可见
必须确保在锁被释放之前，对共享变量所做的修改，对于随后获得该锁的另一个线程是可见的（即在获得锁时应获得最新共享变量的值），否则另一个线程可能是在本地缓存的某个副本上继续操作从而引起不一致。
3）有效解决重排序问题。
二、Synchronized用法
2.1、概述
Synchronized的三种用法：修饰普通方法、修饰静态方法、修饰代码块
2.1.1、修饰普通(实例)方法
//同步非静态方法 ,当前线程的锁便是实例对象methodName
public synchronized void methodName() {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" aaa");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
当一个线程正在访问一个对象的 synchronized 实例方法，那么其他线程不能访问该对象的其他 synchronized 方法，毕竟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，当然如果是一个线程 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，因为两个实例对象锁并不同相同。此时如果两个线程操作数据并非共享的，线程安全是有保障的，遗憾的是如果两个线程操作的是共享数据，那么线程安全就有可能无法保证了。
2.1.2、修饰静态方法
//同步静态方法
public synchronized static void methodName() {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" aaa");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
new Thread(SynchronizedDemo::methodName).start();
}
}
当synchronized作用于静态方法时，其锁就是当前类的class对象锁。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，是允许的，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。
2.1.3、修饰代码块
1）代码块方式(this)
//修饰非静态方法
public void methodName() {
//修饰代码块，this=当前对象（谁调用就指待谁）
synchronized (this) {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " aaa");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
synchronized(this|object) {}：在 Java 中，每个对象都会有一个 monitor 对象，这个对象其实就是 Java 对象的锁，通常会被称为“内置锁”或“对象锁”。类的对象可以有多个，所以每个对象有其独立的对象锁，互不干扰。
2）代码块方式（Class）
//修饰非静态方法
public void methodName() {
//修饰代码块，使用Class类
//使用ClassLoader 加载字节码的时候会向堆里面存放Class类，所有的对象都对应唯一的Class类
//SynchronizedDemo.class 这里拿到的就是堆里面的Class类，也就是所有的Class的对象都共同使用这个synchronized
synchronized (SynchronizedDemo.class) {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " aaa");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
synchronized(类.class) {}：在 Java 中，针对每个类也有一个锁，可以称为“类锁”，类锁实际上是通过对象锁实现的，即类的 Class 对象锁。每个类只有一个 Class 对象，所以每个类只有一个类锁。
在 Java 中，每个对象都会有一个 monitor 对象，监视器。
- 某一线程占有这个对象的时候，先monitor 的计数器是不是0，如果是0还没有线程占有，这个时候线程占有这个对象，并且对这个对象的monitor+1；如果不为0，表示这个线程已经被其他线程占有，这个线程等待。当线程释放占有权的时候，monitor-1；
- 同一线程可以对同一对象进行多次加锁，+1，+1，重入性。
2.2、代码演示
2.2.1、没有同步运行
public class SynchronizedTest {
public void method1(){
System.out.println("Method 1 start");
try {
System.out.println("Method 1 execute");
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Method 1 end");
}
public void method2(){
System.out.println("Method 2 start");
try {
System.out.println("Method 2 execute");
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Method 2 end");
}
public static void main(String[] args) {
final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
test.method1();
}
}).start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
test.method2();
}
}).start();
}
}
结果：
线程1和线程2同时进入执行状态，线程2执行速度比线程1快，所以线程2先执行完成，这个过程中线程1和线程2是同时执行的。
Method 1 start
Method 1 execute
Method 2 start
Method 2 execute
Method 2 end
Method 1 end
2.2.2、对普通方法同步
public class SynchronizedTest {
public synchronized void method1(){
System.out.println("Method 1 start");
try {
System.out.println("Method 1 execute");
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Method 1 end");
}
public synchronized void method2(){
System.out.println("Method 2 start");
try {
System.out.println("Method 2 execute");
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Method 2 end");
}
public static void main(String[] args) {
final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
test.method1();
}
}).start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
test.method2();
}
}).start();
}
}
结果：
执行结果如下，跟代码段一比较，可以很明显的看出，线程2需要等待线程1的method1执行完成才能开始执行method2方法。
Method 1 start
Method 1 execute
Method 1 end
Method 2 start
Method 2 execute
Method 2 end
2.2.3、静态方法（类）同步
public class SynchronizedTest {
public static synchronized void method1(){
System.out.println("Method 1 start");
try {
System.out.println("Method 1 execute");
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Method 1 end");
}
public static synchronized void method2(){
System.out.println("Method 2 start");
try {
System.out.println("Method 2 execute");
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Method 2 end");
}
public static void main(String[] args) {
final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();
final SynchronizedTest test2 = new SynchronizedTest();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
test.method1();
}
}).start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
test2.method2();
}
}).start();
}
}
结果：
对静态方法的同步本质上是对类的同步（静态方法本质上是属于类的方法，而不是对象上的方法），所以即使test和test2属于不同的对象，但是它们都属于SynchronizedTest类的实例，所以也只能顺序的执行method1和method2，不能并发执行。
Method 1 start
Method 1 execute
Method 1 end
Method 2 start
Method 2 execute
Method 2 end
2.2.4、代码块同步
public class SynchronizedTest {
public void method1(){
System.out.println("Method 1 start");
try {
synchronized (this) {
System.out.println("Method 1 execute");
Thread.sleep(3000);
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Method 1 end");
}
public void method2(){
System.out.println("Method 2 start");
try {
synchronized (this) {
System.out.println("Method 2 execute");
Thread.sleep(1000);
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Method 2 end");
}
public static void main(String[] args) {
final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
test.method1();
}
}).start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
test.method2();
}
}).start();
}
}
结果：
虽然线程1和线程2都进入了对应的方法开始执行，但是线程2在进入同步块之前，需要等待线程1中同步块执行完成。
Method 1 start
Method 1 execute
Method 2 start
Method 1 end
Method 2 execute
Method 2 end
2.2.5、运行结果分析
1、代码段2结果：
虽然method1和method2是不同的方法，但是这两个方法都进行了同步，并且是通过同一个对象去调用的，所以调用之前都需要先去竞争同一个对象上的锁（monitor），也就只能互斥的获取到锁，因此，method1和method2只能顺序的执行。
2、代码段3结果：
虽然test和test2属于不同对象，但是test和test2属于同一个类的不同实例，由于method1和method2都属于静态同步方法，所以调用的时候需要获取同一个类上monitor（每个类只对应一个class对象），所以也只能顺序的执行。
3、代码段4结果：
对于代码块的同步实质上需要获取Synchronized关键字后面括号中对象的monitor，由于这段代码中括号的内容都是this，而method1和method2又是通过同一的对象去调用的，所以进入同步块之前需要去竞争同一个对象上的锁，因此只能顺序执行同步块。
三、Synchronized原理
3.1、同步代码块分析
1.通过反编译下面的代码来看看Synchronized是如何实现对代码块进行同步的
public class SynchronizedTest {
public void method(){
synchronized (this){
System.out.println("test enter method 001 start");
}
}
}
反编译结果：
2.JVM指令分析
monitorenter：互斥入口
monitorexit：互斥出口（monitorexit有两个，一个是正常出口，一个是异常出口）
1）monitorenter
每个对象有一个监视器锁（monitor）。当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权，过程如下：
如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者。
如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1.
如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权。
2）monitorexit
执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者。
指令执行时，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。
通过这两段描述，我们应该能很清楚的看出Synchronized的实现原理，Synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来完成，其实wait/notify等方法也依赖于monitor对象，这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法，否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。
3.2、同步方法分析
源代码：
public class SynchronizedTest {
public synchronized void method() {
System.out.println("test enter method 001 start");
}
}
反编译结果：
从反编译的结果来看，方法的同步并没有通过指令monitorenter和monitorexit来完成（理论上其实也可以通过这两条指令来实现），不过相对于普通方法，其常量池中多了ACC_SYNCHRONIZED标示符。JVM就是根据该标示符来实现方法的同步的：
当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，
如果设置了，执行线程将先获取monitor，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放monitor。
在方法执行期间，其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象。
其实本质上没有区别，只是方法的同步是一种隐式的方式来实现，无需通过字节码来完成。
3.2、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，在java中synchronized是基于原子性的内部锁机制，是可重入的，因此在一个线程调用synchronized方法的同时在其方法体内部调用该对象另一个synchronized方法，也就是说一个线程得到一个对象锁后再次请求该对象锁，是允许的，这就是synchronized的可重入性。
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);
}
}
正如代码所演示的，在获取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，进而执行方法体代码，这就是重入锁最直接的体现，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.
