Java之戳中痛点之 synchronized 深度解析

技术2022-07-10 145

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作者：Json_wangqiang

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概览：

简介：作用、地位、不控制并发的影响

用法：对象锁和类锁

多线程访问同步方法的7种情况

性质：可重入、不可中断

原理：加解锁原理、可重入原理、可见性原理

缺陷：效率低、不够灵活、无法预判是否成功获取到锁

如何选择Lock或Synchronized

如何提高性能、JVM如何决定哪个线程获取锁

总结

后续会有代码演示，测试环境 JDK8、IDEA

一、简介

1、作用

能够保证在同一时刻最多只有一个线程执行该代码，以保证并发安全的效果。

2、地位

Synchronized是Java关键字，Java原生支持

最基本的互斥同步手段

并发编程的元老级别

3、不控制并发的影响

测试：两个线程同时a++，猜一下结果

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest; /** * 不使用synchronized,两个线程同时a++ * * @author JSON */ public class SynchronizedTest1 implements Runnable{ static SynchronizedTest1 st = new SynchronizedTest1(); static int a = 0; /** * 不使用synchronized,两个线程同时a++ */ public static void main(String[] args) throws Exception{ Thread t1 = new Thread(st); Thread t2 = new Thread(st); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println(a); } @Override public void run(){ for(int i=0; i<10000; i++){ a++; } } }

预期是20000，但多次执行的结果都小于20000

10108 11526 10736 ...

二、用法：对象锁和类锁

1、对象锁

代码块形式：手动指定锁对象

方法锁形式：synchronized修饰方法，锁对象默认为this

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest; /** * 对象锁实例: 代码块形式 * * @author JSON */ public class SynchronizedTest2 implements Runnable{ static SynchronizedTest2 st = new SynchronizedTest2(); public static void main(String[] args) { Thread t1 = new Thread(st); Thread t2 = new Thread(st); t1.start(); t2.start(); while(t1.isAlive() || t2.isAlive()){ } System.out.println("run over"); } @Override public void run(){ synchronized (this){ System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName()); try { // 模拟执行内容 Thread.sleep(3000); }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName()); } } } package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest; /** * 对象锁实例：synchronized方法 * @author JSON */ public class SynchronizedTest3 implements Runnable{ static SynchronizedTest3 st = new SynchronizedTest3(); public static void main(String[] args) throws Exception{ Thread t1 = new Thread(st); Thread t2 = new Thread(st); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println("run over"); } @Override public void run(){ method(); } public synchronized void method(){ System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName()); try { // 模拟执行内容 Thread.sleep(3000); }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName()); } }

结果：

开始执行:Thread-0 执行结束:Thread-0 开始执行:Thread-1 执行结束:Thread-1 run over

2、类锁

概念：Java类可能有多个对象，但只有一个Class对象

本质：所谓的类锁，不过是Class对象的锁而已

用法和效果：类锁只能在同一时刻被一个对象拥有

形式1：synchronized加载static方法上

形式2：synchronized(*.class)代码块

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest; /** * 类锁：synchronized加载static方法上 * * @author JSON */ public class SynchronizedTest4 implements Runnable{ static SynchronizedTest4 st1 = new SynchronizedTest4(); static SynchronizedTest4 st2 = new SynchronizedTest4(); public static void main(String[] args) throws Exception{ Thread t1 = new Thread(st1); Thread t2 = new Thread(st2); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println("run over"); } @Override public void run(){ method(); } public static synchronized void method(){ System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName()); try { // 模拟执行内容 Thread.sleep(3000); }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName()); } } package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest; /** * 类锁：synchronized(*.class)代码块 * * @author JSON */ public class SynchronizedTest5 implements Runnable{ static SynchronizedTest4 st1 = new SynchronizedTest4(); static SynchronizedTest4 st2 = new SynchronizedTest4(); public static void main(String[] args) throws Exception{ Thread t1 = new Thread(st1); Thread t2 = new Thread(st2); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println("run over"); } @Override public void run(){ method(); } public void method(){ synchronized(SynchronizedTest5.class){ System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName()); try { // 模拟执行内容 Thread.sleep(3000); }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName()); } } }

结果：

开始执行:Thread-0 执行结束:Thread-0 开始执行:Thread-1 执行结束:Thread-1 run over

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三、多线程访问同步方法的7种情况

两个线程同时访问一个对象的相同的synchronized方法

两个线程同时访问两个对象的相同的synchronized方法

两个线程同时访问两个对象的相同的static的synchronized方法

两个线程同时访问同一对象的synchronized方法与非synchronized方法

两个线程访问同一对象的不同的synchronized方法

两个线程同时访问同一对象的static的synchronized方法与非static的synchronized方法

方法抛出异常后，会释放锁吗

仔细看下面示例代码结果输出的结果，注意输出时间间隔，来预测结论

场景1：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest; /** * 两个线程同时访问一个对象的相同的synchronized方法 * * @author JSON */ public class SynchronizedScene1 implements Runnable{ static SynchronizedScene1 ss = new SynchronizedScene1(); public static void main(String[] args) throws Exception{ Thread t1 = new Thread(ss); Thread t2 = new Thread(ss); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println("run over"); } @Override public void run(){ method(); } public synchronized void method(){ System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName()); try { // 模拟执行内容 Thread.sleep(3000); }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName()); } }

场景2：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest; /** * 两个线程同时访问两个对象的相同的synchronized方法 * * @author JSON */ public class SynchronizedScene2 implements Runnable{ static SynchronizedScene2 ss1 = new SynchronizedScene2(); static SynchronizedScene2 ss2 = new SynchronizedScene2(); public static void main(String[] args) throws Exception{ Thread t1 = new Thread(ss1); Thread t2 = new Thread(ss2); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println("run over"); } @Override public void run(){ method(); } public synchronized void method(){ System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName()); try { // 模拟执行内容 Thread.sleep(3000); }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName()); } }

场景3：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest; /** * 两个线程同时访问两个对象的相同的static的synchronized方法 * * @author JSON */ public class SynchronizedScene3 implements Runnable{ static SynchronizedScene3 ss1 = new SynchronizedScene3(); static SynchronizedScene3 ss2 = new SynchronizedScene3(); public static void main(String[] args) throws Exception{ Thread t1 = new Thread(ss1); Thread t2 = new Thread(ss2); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println("run over"); } @Override public void run(){ method(); } public synchronized static void method(){ System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName()); try { // 模拟执行内容 Thread.sleep(3000); }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName()); } }

场景4：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest; /** * 两个线程同时访问同一对象的synchronized方法与非synchronized方法 * * @author JSON */ public class SynchronizedScene4 implements Runnable{ static SynchronizedScene4 ss1 = new SynchronizedScene4(); public static void main(String[] args) throws Exception{ Thread t1 = new Thread(ss1); Thread t2 = new Thread(ss1); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println("run over"); } @Override public void run(){ // 模拟两个线程同时访问 synchronized方法与非synchronized方法 if(Thread.currentThread().getName().equals("Thread-0")){ method1(); }else{ method2(); } } public void method1(){ System.out.println("method1开始执行:" + Thread.currentThread().getName()); try { // 模拟执行内容 Thread.sleep(3000); }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } System.out.println("method1执行结束:" + Thread.currentThread().getName()); } public synchronized void method2(){ System.out.println("method2开始执行:" + Thread.currentThread().getName()); try { // 模拟执行内容 Thread.sleep(3000); }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } System.out.println("method2执行结束:" + Thread.currentThread().getName()); } }

场景5：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest; /** * 两个线程访问同一对象的不同的synchronized方法 * * @author JSON */ public class SynchronizedScene5 implements Runnable{ static SynchronizedScene5 ss1 = new SynchronizedScene5(); public static void main(String[] args) throws Exception{ Thread t1 = new Thread(ss1); Thread t2 = new Thread(ss1); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println("run over"); } @Override public void run(){ // 模拟两个线程同时访问不同的synchronized方法 if(Thread.currentThread().getName().equals("Thread-0")){ method1(); }else{ method2(); } } public synchronized void method1(){ System.out.println("method1开始执行:" + Thread.currentThread().getName()); try { // 模拟执行内容 Thread.sleep(3000); }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } System.out.println("method1执行结束:" + Thread.currentThread().getName()); } public synchronized void method2(){ System.out.println("method2开始执行:" + Thread.currentThread().getName()); try { // 模拟执行内容 Thread.sleep(3000); }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } System.out.println("method2执行结束:" + Thread.currentThread().getName()); } }

场景6：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest; /** * 两个线程同时访问同一对象的static的synchronized方法与非static的synchronized方法 * * @author JSON */ public class SynchronizedScene6 implements Runnable{ static SynchronizedScene6 ss1 = new SynchronizedScene6(); public static void main(String[] args) throws Exception{ Thread t1 = new Thread(ss1); Thread t2 = new Thread(ss1); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println("run over"); } @Override public void run(){ // 模拟两个线程同时访问static的synchronized方法与非static的synchronized方法 if(Thread.currentThread().getName().equals("Thread-0")){ method1(); }else{ method2(); } } public static synchronized void method1(){ System.out.println("method1开始执行:" + Thread.currentThread().getName()); try { // 模拟执行内容 Thread.sleep(3000); }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } System.out.println("method1执行结束:" + Thread.currentThread().getName()); } public synchronized void method2(){ System.out.println("method2开始执行:" + Thread.currentThread().getName()); try { // 模拟执行内容 Thread.sleep(3000); }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } System.out.println("method2执行结束:" + Thread.currentThread().getName()); } }

场景7：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest; /** * 方法抛出异常后，会释放锁吗 * * @author JSON */ public class SynchronizedScene7 implements Runnable{ static SynchronizedScene7 ss1 = new SynchronizedScene7(); public static void main(String[] args) throws Exception{ Thread t1 = new Thread(ss1); Thread t2 = new Thread(ss1); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println("run over"); } @Override public void run(){ method1(); } public synchronized void method1(){ System.out.println("method1开始执行:" + Thread.currentThread().getName()); try { // 模拟执行内容 Thread.sleep(3000); }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } // 模拟异常 throw new RuntimeException(); //System.out.println("method1执行结束:" + Thread.currentThread().getName()); } }

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总结：

1、两个线程同时访问一个对象的相同的synchronized方法

同一实例拥有同一把锁，其他线程必然等待，顺序执行

2、两个线程同时访问两个对象的相同的synchronized方法

不同的实例拥有的锁是不同的，所以不影响，并行执行

3、两个线程同时访问两个对象的相同的static的synchronized方法

静态同步方法，是类锁，所有实例是同一把锁，其他线程必然等待，顺序执行

4、两个线程同时访问同一对象的synchronized方法与非synchronized方法

非synchronized方法不受影响，并行执行

5、两个线程访问同一对象的不同的synchronized方法

同一实例拥有同一把锁，所以顺序执行（说明：锁的是this对象==同一把锁）

6、两个线程同时访问同一对象的static的synchronized方法与非static的synchronized方法

static同步方法是类锁，非static是对象锁，原理上是不同的锁，所以不受影响，并行执行

7、方法抛出异常后，会释放锁吗

会自动释放锁，这里区别Lock，Lock需要显示的释放锁

3个核心思想：

一把锁只能同时被一个线程获取，没有拿到锁的线程必须等待（对应1、5的情景）

每个实例都对应有自己的一把锁，不同的实例之间互不影响；例外：锁对象是*.class以及synchronized被static修饰的时候，所有对象共用同一把锁（对应2、3、4、6情景）

无论是方法正常执行完毕还是方法抛出异常，都会释放锁（对应7情景）

补充：

问题：目前进入到被synchronized修饰的方法，这个方法里边调用了非synchronized方法，是线程安全的吗？

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest; /** * 目前进入到被synchronized修饰的方法，这个方法里边调用了非synchronized方法，是线程安全的吗？ * * @author JSON */ public class SynchronizedScene8 { public static void main(String[] args) { new Thread(() -> { method1(); }).start(); new Thread(() -> { method1(); }).start(); } public static synchronized void method1() { method2(); } private static void method2() { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入非Synchronized方法"); try { Thread.sleep(3000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束非Synchronized方法"); } }

结论：这样是线程安全的

四、性质

1、可重入

指的是同一线程的外层函数获取锁之后，内层函数可以直接再次获取该锁

Java典型的可重入锁：synchronized、ReentrantLock

好处：避免死锁，提升封装性

粒度：线程而非调用

情况1：证明同一方法是可重入的

情况2：证明可重入不要求是同一方法

情况3：证明可重入不要求是同一类中的

2、不可中断

一旦这个锁被别的线程获取了，如果我现在想获得，我只能选择等待或者阻塞，直到别的线程释放这个锁，如果别的线程永远不释放锁，那么我只能永远的等待下去。

相比之下，Lock类可以拥有中断的能力，第一点：如果我觉得我等待的时间太长了，有权中断现在已经获取到锁的线程执行；第二点：如果我觉得我等待的时间太长了不想再等了，也可以退出。

五、原理

1、加解锁原理（现象、时机、深入JVM看字节码）

现象：每一个类的实例对应一把锁，每一个synchronized方法都必须首先获得调用该方法的类的实例的锁，方能执行，否则就会阻塞，方法执行完成或者抛出异常，锁被释放，被阻塞线程才能获取到该锁，执行。

获取和释放锁的时机：内置锁或监视器锁

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest; import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; /** * method1 等价于 method2 * * @author JSON * @date 2019-08-29 */ public class SynchronizedToLock1 { Lock lock = new ReentrantLock(); public synchronized void method1(){ System.out.println("执行method1"); } public void method2(){ lock.lock(); try { System.out.println("执行method2"); }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); }finally { lock.unlock(); } } public static void main(String[] args) { SynchronizedToLock1 sl = new SynchronizedToLock1(); // method1 等价于 method2 sl.method1(); sl.method2(); } }

深入JVM看字节码：

... monitorenter指令 ... monitorexit指令 ...

2、可重入原理（加锁次数计数器）

JVM负责跟踪对象被加锁的次数

线程第一次给对象加锁的时候，计数变为1，每当这个相同的线程在此对象上再次获得锁时，计数会递增

每当任务离开时，计数递减，当计数为0的时候，锁被完全释放

3、可见性原理（内存模型）

Java内存模型

线程A向线程B发送数据的过程（JMM控制）

synchronized关键字实现可见性：

被synchronized修饰，那么执行完成后，对对象所做的任何修改都要在释放锁之前，都要从线程内存写入到主内存，所以主内存中的数据是最新的。

六、缺陷

1、效率低

1)、锁的释放情况少（线程执行完成或者异常情况释放）

2)、试图获得锁时不能设定超时（只能等待）

3)、不能中断一个正在试图获得锁的线程（不能中断）

2、不够灵活

加锁和释放的时机比较单一，每个锁仅有单一的条件（某个对象），可能是不够的

比如：读写锁更灵活

3、无法预判是否成功获取到锁

七、常见问题

1、synchronized关键字注意点：

锁对象不能为空

作用域不宜过大

避免死锁

2、如何选择Lock和synchronized关键字？

总结建议（优先避免出错的原则）：

如果可以的话，尽量优先使用java.util.concurrent各种类（不需要考虑同步工作，不容易出错）

优先使用synchronized，这样可以减少编写代码的量，从而可以减少出错率

若用到Lock或Condition独有的特性，才使用Lock或Condition

八、总结

一句话总结synchronized：

JVM会自动通过使用monitor来加锁和解锁，保证了同一时刻只有一个线程可以执行指定的代码，从而保证线程安全，同时具有可重入和不可中断的特性。

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