深入學(xué)習(xí)Synchronized各種使用方法
在Java當(dāng)中synchronized通常是用來(lái)標(biāo)記一個(gè)方法或者代碼塊。在Java當(dāng)中被synchronized標(biāo)記的代碼或者方法在同一個(gè)時(shí)刻只能夠有一個(gè)線程執(zhí)行被synchronized修飾的方法或者代碼塊。因此被synchronized修飾的方法或者代碼塊不會(huì)出現(xiàn) 數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng) 的情況，也就是說(shuō)被synchronized修飾的代碼塊是并發(fā)安全的。
Synchronized關(guān)鍵字
synchronized關(guān)鍵字通常使用在下面四個(gè)地方：
- synchronized修飾實(shí)例方法。
- synchronized修飾靜態(tài)方法。
- synchronized修飾實(shí)例方法的代碼塊。
- synchronized修飾靜態(tài)方法的代碼塊。
在實(shí)際情況當(dāng)中我們需要仔細(xì)分析我們的需求選擇合適的使用synchronized方法，在保證程序正確的情況下提升程序執(zhí)行的效率。
Synchronized修飾實(shí)例方法
下面是一個(gè)用Synchronized修飾實(shí)例方法的代碼示例：
public class SyncDemo { private int count; public synchronized void add() { count++; } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { SyncDemo syncDemo = new SyncDemo(); Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i { for (int i = 0; i < 10000; i++) { syncDemo.add(); } }); t1.start(); t2.start(); t1.join(); // 阻塞住線程等待線程 t1 執(zhí)行完成 t2.join(); // 阻塞住線程等待線程 t2 執(zhí)行完成 System.out.println(syncDemo.count);// 輸出結(jié)果為 20000 }}
在上面的代碼當(dāng)中的 add 方法只有一個(gè)簡(jiǎn)單的 count++ 操作，因?yàn)檫@個(gè)方法是使用 synchronized 修飾的因此每一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)線程執(zhí)行 add 方法，因此上面打印的結(jié)果是20000。如果 add 方法沒(méi)有使用 synchronized 修飾的話，那么線程t1和線程t2就可以同時(shí)執(zhí)行 add 方法，這可能會(huì)導(dǎo)致最終 count 的結(jié)果小于20000，因?yàn)?count++ 操作不具備原子性。
上面的分析還是比較明確的，但是我們還需要知道的是 synchronized 修飾的 add 方法一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)線程執(zhí)行的意思是對(duì)于一個(gè) SyncDemo 類(lèi)的對(duì)象來(lái)說(shuō)一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)線程進(jìn)入。比如現(xiàn)在有兩個(gè) SyncDemo 的對(duì)象 s1 和 s2 ，一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)線程進(jìn)行 s1 的 add 方法，一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)線程進(jìn)入 s2 的 add 方法，但是同一個(gè)時(shí)刻可以有兩個(gè)不同的線程執(zhí)行 s1 和 s2 的 add 方法，也就說(shuō) s1 的 add 方法和 s2 的 add 是沒(méi)有關(guān)系的，一個(gè)線程進(jìn)入 s1 的 add 方法并不會(huì)阻止另外的線程進(jìn)入 s2 的 add 方法，也就是說(shuō) synchronized 在修飾一個(gè)非靜態(tài)方法的時(shí)候“鎖”住的只是一個(gè)實(shí)例對(duì)象，并不會(huì)“鎖”住其它的對(duì)象。其實(shí)這也很容易理解，一個(gè)實(shí)例對(duì)象是一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體別的對(duì)象不會(huì)影響他，他也不會(huì)影響別的對(duì)象。
Synchronized修飾靜態(tài)方法
Synchronized修飾靜態(tài)方法：
public class SyncDemo { private static int count; public static synchronized void add() { count++; // 注意 count 也要用 static 修飾 否則編譯通過(guò)不了 } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i { for (int i = 0; i < 10000; i++) { SyncDemo.add(); } }); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println(SyncDemo.count); // 輸出結(jié)果為 20000 }}
上面的代碼最終輸出的結(jié)果也是20000，但是與前一個(gè)程序不同的是。這里的 add 方法用 static 修飾的，在這種情況下真正的只能有一個(gè)線程進(jìn)入到 add 代碼塊，因?yàn)橛?static 修飾的話是所有對(duì)象公共的，因此和前面的那種情況不同，不存在兩個(gè)不同的線程同一時(shí)刻執(zhí)行 add 方法。
你仔細(xì)想想如果能夠讓兩個(gè)不同的線程執(zhí)行 add 代碼塊，那么 count++ 的執(zhí)行就不是原子的了。那為什么沒(méi)有用 static 修飾的代碼為什么可以呢？因?yàn)楫?dāng)沒(méi)有用 static 修飾時(shí)，每一個(gè)對(duì)象的 count 都是不同的，內(nèi)存地址不一樣，因此在這種情況下 count++ 這個(gè)操作仍然是原子的！
Sychronized修飾多個(gè)方法
synchronized修飾多個(gè)方法示例：
public class AddMinus { public static int ans; public static synchronized void add() { ans++; } public static synchronized void minus() { ans–; } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i { for (int i = 0; i < 10000; i++) { AddMinus.minus(); } }); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println(AddMinus.ans); // 輸出結(jié)果為 0 }}
在上面的代碼當(dāng)中我們用 synchronized 修飾了兩個(gè)方法， add 和 minus 。這意味著在同一個(gè)時(shí)刻這兩個(gè)函數(shù)只能夠有一個(gè)被一個(gè)線程執(zhí)行，也正是因?yàn)?add 和 minus 函數(shù)在同一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)函數(shù)被一個(gè)線程執(zhí)行，這才會(huì)導(dǎo)致 ans 最終輸出的結(jié)果等于0。
對(duì)于一個(gè)實(shí)例對(duì)象來(lái)說(shuō)：
public class AddMinus { public int ans; public synchronized void add() { ans++; } public synchronized void minus() { ans–; } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { AddMinus addMinus = new AddMinus(); Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i { for (int i = 0; i < 10000; i++) { addMinus.minus(); } }); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println(addMinus.ans); }}
上面的代碼沒(méi)有使用 static 關(guān)鍵字，因此我們需要 new 出一個(gè)實(shí)例對(duì)象才能夠調(diào)用 add 和 minus 方法，但是同樣對(duì)于 AddMinus 的實(shí)例對(duì)象來(lái)說(shuō)同一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)線程在執(zhí)行 add 或者 minus 方法，因此上面代碼的輸出同樣是0。
Synchronized修飾實(shí)例方法代碼塊
Synchronized修飾實(shí)例方法代碼塊
public class CodeBlock { private int count; public void add() { System.out.println(“進(jìn)入了 add 方法”); synchronized (this) { count++; } } public void minus() { System.out.println(“進(jìn)入了 minus 方法”); synchronized (this) { count–; } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { CodeBlock codeBlock = new CodeBlock(); Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i { for (int i = 0; i < 10000; i++) { codeBlock.minus(); } }); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println(codeBlock.count); // 輸出結(jié)果為 0 }}
有時(shí)候我們并不需要用 synchronized 去修飾代碼塊，因?yàn)檫@樣并發(fā)度就比較低了，一個(gè)方法一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)線程在執(zhí)行。因此我們可以選擇用 synchronized 去修飾代碼塊，只讓某個(gè)代碼塊一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)線程執(zhí)行，除了這個(gè)代碼塊之外的代碼還是可以并行的。
比如上面的代碼當(dāng)中 add 和 minus 方法沒(méi)有使用 synchronized 進(jìn)行修飾，因此一個(gè)時(shí)刻可以有多個(gè)線程執(zhí)行這個(gè)兩個(gè)方法。在上面的 synchronized 代碼塊當(dāng)中我們使用了 this 對(duì)象作為鎖對(duì)象，只有拿到這個(gè)鎖對(duì)象的線程才能夠進(jìn)入代碼塊執(zhí)行，而在同一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)線程能夠獲得鎖對(duì)象。也就是說(shuō) add 函數(shù)和 minus 函數(shù)用 synchronized 修飾的兩個(gè)代碼塊同一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)代碼塊的代碼能夠被一個(gè)線程執(zhí)行，因此上面的結(jié)果同樣是0。
這里說(shuō)的鎖對(duì)象是 this 也就 CodeBlock 類(lèi)的一個(gè)實(shí)例對(duì)象，因?yàn)樗i住的是一個(gè)實(shí)例對(duì)象，因此當(dāng)實(shí)例對(duì)象不一樣的時(shí)候他們之間是沒(méi)有關(guān)系的，也就是說(shuō)不同實(shí)例用 synchronized 修飾的代碼塊是沒(méi)有關(guān)系的，他們之間是可以并發(fā)的。
Synchronized修飾靜態(tài)代碼塊
public class CodeBlock { private static int count; public static void add() { System.out.println(“進(jìn)入了 add 方法”); synchronized (CodeBlock.class) { count++; } } public static void minus() { System.out.println(“進(jìn)入了 minus 方法”); synchronized (CodeBlock.class) { count–; } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i { for (int i = 0; i < 10000; i++) { CodeBlock.minus(); } }); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println(CodeBlock.count); }}
上面的代碼是使用 synchronized 修飾靜態(tài)代碼塊，上面代碼的鎖對(duì)象是 CodeBlock.class ，這個(gè)時(shí)候他不再是鎖住一個(gè)對(duì)象了，而是一個(gè)類(lèi)了，這個(gè)時(shí)候的并發(fā)度就變小了，上一份代碼當(dāng)鎖對(duì)象是 CodeBlock 的實(shí)例對(duì)象時(shí)并發(fā)度更大一些，因?yàn)楫?dāng)鎖對(duì)象是實(shí)例對(duì)象的時(shí)候，只有實(shí)例對(duì)象內(nèi)部是不能夠并發(fā)的，實(shí)例之間是可以并發(fā)的。但是當(dāng)鎖對(duì)象是 CodeBlock.class 的時(shí)候，實(shí)例對(duì)象之間時(shí)不能夠并發(fā)的，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候的鎖對(duì)象是一個(gè)類(lèi)。
應(yīng)該用什么對(duì)象作為鎖對(duì)象
在前面的代碼當(dāng)中我們分別使用了實(shí)例對(duì)象和類(lèi)的class對(duì)象作為鎖對(duì)象，事實(shí)上你可以使用任何對(duì)象作為鎖對(duì)象，但是不推薦使用字符串和基本類(lèi)型的包裝類(lèi)作為鎖對(duì)象，這是因?yàn)樽址畬?duì)象和基本類(lèi)型的包裝對(duì)象會(huì)有緩存的問(wèn)題。字符串有字符串常量池，整數(shù)有小整數(shù)池。因此在使用這些對(duì)象的時(shí)候他們可能最終都指向同一個(gè)對(duì)象，因?yàn)橹赶虻亩际峭粋€(gè)對(duì)象，線程獲得鎖對(duì)象的難度就會(huì)增加，程序的并發(fā)度就會(huì)降低。
比如在下面的示例代碼當(dāng)中就是由于鎖對(duì)象是同一個(gè)對(duì)象而導(dǎo)致并發(fā)度下降：
import java.util.concurrent.TimeUnit;public class Test { public void testFunction() throws InterruptedException { synchronized (“HELLO WORLD”) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + “I am in synchronized code block”); TimeUnit.SECONDS.sleep(5); } } public static void main(String[] args) { Test t1 = new Test(); Test t2 = new Test(); Thread thread1 = new Thread(() -> { try { t1.testFunction(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }); Thread thread2 = new Thread(() -> { try { t2.testFunction(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }); thread1.start(); thread2.start(); }}
在上面的代碼當(dāng)中我們使用兩個(gè)不同的線程執(zhí)行兩個(gè)不同的對(duì)象內(nèi)部的 testFunction 函數(shù)，按道理來(lái)說(shuō)這兩個(gè)線程是可以同時(shí)執(zhí)行的，因?yàn)閳?zhí)行的是兩個(gè)不同的實(shí)例對(duì)象的同步代碼塊。但是上面代碼的執(zhí)行首先一個(gè)線程會(huì)進(jìn)入同步代碼塊然后打印輸出，等待5秒之后，這個(gè)線程退出同步代碼塊另外一個(gè)線程才會(huì)再進(jìn)入同步代碼塊，這就說(shuō)明了兩個(gè)線程不是同時(shí)執(zhí)行的，其中一個(gè)線程需要等待另外一個(gè)線程執(zhí)行完成才執(zhí)行。這正是因?yàn)閮蓚€(gè) Test 對(duì)象當(dāng)中使用的 “HELLO WORLD” 字符串在內(nèi)存當(dāng)中是同一個(gè)對(duì)象，是存儲(chǔ)在字符串常量池中的對(duì)象，這才導(dǎo)致了鎖對(duì)象的競(jìng)爭(zhēng)。
下面的代碼執(zhí)行的結(jié)果也是一樣的，一個(gè)線程需要等待另外一個(gè)線程執(zhí)行完成才能夠繼續(xù)執(zhí)行，這是因?yàn)樵贘ava當(dāng)中如果整數(shù)數(shù)據(jù)在 [-128, 127] 之間的話使用的是小整數(shù)池當(dāng)中的對(duì)象，使用的也是同一個(gè)對(duì)象，這樣可以減少頻繁的內(nèi)存申請(qǐng)和回收，對(duì)內(nèi)存更加友好。
import java.util.concurrent.TimeUnit;public class Test { public void testFunction() throws InterruptedException { synchronized (Integer.valueOf(1)) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + “I am in synchronized code block”); TimeUnit.SECONDS.sleep(5); } } public static void main(String[] args) { Test t1 = new Test(); Test t2 = new Test(); Thread thread1 = new Thread(() -> { try { t1.testFunction(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }); Thread thread2 = new Thread(() -> { try { t2.testFunction(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }); thread1.start(); thread2.start(); }}
Synchronized與可見(jiàn)性和重排序
可見(jiàn)性
- 當(dāng)一個(gè)線程進(jìn)入到 synchronized 同步代碼塊的時(shí)候，將會(huì)刷新所有對(duì)該線程的可見(jiàn)的變量，也就是說(shuō)如果其他線程修改了某個(gè)變量，而且線程需要在 Synchronized 代碼塊當(dāng)中使用，那就會(huì)重新刷新這個(gè)變量到內(nèi)存當(dāng)中，保證這個(gè)變量對(duì)于執(zhí)行同步代碼塊的線程是可見(jiàn)的。
- 當(dāng)一個(gè)線程從同步代碼塊退出的時(shí)候，也會(huì)將線程的工作內(nèi)存同步到內(nèi)存當(dāng)中，保證在同步代碼塊當(dāng)中修改的變量對(duì)其他線程可見(jiàn)。
重排序
Java編譯器和JVM當(dāng)發(fā)現(xiàn)能夠讓程序執(zhí)行的更快的時(shí)候是可能對(duì)程序的指令進(jìn)行重排序處理的，也就是通過(guò)調(diào)換程序指令執(zhí)行的順序讓程序執(zhí)行的更快。
但是重排序很可能讓并發(fā)程序產(chǎn)生問(wèn)題，比如說(shuō)當(dāng)一個(gè)在 synchronized 代碼塊當(dāng)中的寫(xiě)操作被重排序到 synchronized 同步代碼塊外部了這顯然是有問(wèn)題的。
在JVM的實(shí)現(xiàn)當(dāng)中是不允許 synchronized 代碼塊內(nèi)部的指令和他前面和后面的指令進(jìn)行重排序的，但是在 synchronized 內(nèi)部的指令是可能與 synchronized 內(nèi)部的指令進(jìn)行重排序的，比較著名的就是 DCL單例模式 ，他就是在 synchronized 代碼塊當(dāng)中存在重排序的，如果你對(duì) DCL單例模式 還不是很熟悉，你可以閱讀 這篇文章 的 DCL單例 模式部分。
總結(jié)
在本篇文章當(dāng)中主要介紹了各種 synchronized 的使用方法，總結(jié)如下：
volatile
