java synchronized 关键字使用方法学习笔记

大鹅

发布于 2021-06-16 17:19:57

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java synchronized 关键字使用方法学习笔记

java synchronized 关键字使用方法学习笔记

1. 综述

线程安全是并发编程中的重要关注点，应该注意到的是，造成线程安全问题的主要诱因有两点：

存在共享数据(也称临界资源)
存在多条线程共同操作共享数据

因此为了解决这个问题，我们可能需要这样一个方案，当存在多个线程操作共享数据时，需要保证同一时刻有且只有一个线程在操作共享数据，其他线程必须等到该线程处理完数据后再进行，这种方式有个高尚的名称叫互斥锁，即能达到互斥访问目的的锁，也就是说当一个共享数据被当前正在访问的线程加上互斥锁后，在同一个时刻，其他线程只能处于等待的状态，直到当前线程处理完毕释放该锁。

在 Java 中，关键字 synchronized 可以保证在同一个时刻，只有一个线程可以执行某个方法或者某个代码块(主要是对方法或者代码块中存在共享数据的操作)，同时我们还应该注意到synchronized另外一个重要的作用，synchronized可保证一个线程的变化(主要是共享数据的变化)被其他线程所看到（保证可见性，完全可以替代Volatile功能），这点确实也是很重要的。

它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；
修饰一个类，其作用的范围是synchronized后面括号括起来的部分，作用主的对象是这个类的所有对象。

2. synchronized作用于实例方法

所谓的实例对象锁就是用synchronized修饰实例对象中的实例方法，注意是实例方法不包括静态方法

package sychronized;

import static net.mindview.util.Print.*;

import java.util.concurrent.*;

public class AccountingSync2 implements Runnable {
    //共享资源(临界资源)
    static int i = 0;

    /**
     * synchronized 修饰实例方法
     */
    synchronized void getI() {
        if (i % 1000000 == 0) {
            print(i);
        }
    }

    public synchronized void increase() {
        i++;
        getI();
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
            increase();
        }
        print(i);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        AccountingSync2 accountingSync2 = new AccountingSync2();
        exec.execute(accountingSync2);
        exec.execute(accountingSync2);
        exec.shutdown();
    }
}

最后的结果为：
1000000
1519541
2000000
2000000

上述代码中，我们开启两个线程操作同一个共享资源即变量i，由于i++操作并不具备原子性，该操作是先读取值，然后写回一个新值，相当于原来的值加上1，分两步完成，如果第二个线程在第一个线程读取旧值和写回新值期间读取i的域值，那么第二个线程就会与第一个线程一起看到同一个值，并执行相同值的加1操作，这也就造成了线程安全失败，因此对于increase方法必须使用synchronized修饰，以便保证线程安全。
此时注意到synchronized修饰的是实例方法increase，在这样的情况下，当前线程的锁便是实例对象instance，注意Java中的线程同步锁可以是任意对象。
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，但是一个 synchronized 方法可以调用另一个需要获得同样锁的synchronized方法，因为已经获取了锁。
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。

package sychronized;

import static net.mindview.util.Print.*;
import java.util.concurrent.*;

public class AccountingSync2 implements Runnable {
    //共享资源(临界资源)
    static int i = 0;

    /**
     * synchronized 修饰实例方法
     */
    synchronized void getI() {
        if (i % 1000000 == 0) {
            print(i);
        }
    }

    public synchronized void increase() {
        i++;
        getI();
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
            increase();
        }
        print(i);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        AccountingSync2 accountingSync2 = new AccountingSync2();
        exec.execute(accountingSync2);
        exec.execute(new AccountingSync2());
        exec.shutdown();
    }
}

#输出结果：
1000000
1249050
1329218

上述代码与前面不同的是我们同时创建了两个新实例AccountingSync2，然后启动两个不同的线程对共享变量i进行操作，但很遗憾操作结果是1329218而不是期望结果2000000。
虽然我们使用synchronized修饰了increase方法，但却new了两个不同的实例对象，这也就意味着存在着两个不同的实例对象锁，因此两个进程都会进入各自持有对象的对象锁，也就是说两个线程使用的是不同的锁，因此线程安全是无法保证的。
解决这种困境的的方式是将synchronized作用于静态的increase方法，这样的话，对象锁就当前类对象，由于无论创建多少个实例对象，但对于的类对象拥有只有一个，所有在这样的情况下对象锁就是唯一的。下面我们看看如何使用将synchronized作用于静态的increase方法。

3. synchronized作用于静态方法

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。

package sychronized;

import static net.mindview.util.Print.*;
import java.util.concurrent.*;

class OtherTask implements Runnable{
    AccountingSyncClass accounting = new AccountingSyncClass();
    @Override
    public void run(){
        for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
            accounting.increaseForObject();
        }
        print(accounting.getI());
    }
}

public class AccountingSyncClass implements Runnable {
    //共享资源(临界资源)
    private static int i = 0;

    /**
     * synchronized 修饰实例方法
     */
    public synchronized void increaseForObject() {
        i++;
    }

    public synchronized static void increase() {
        i++;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
            increase();
        }
        print(i);
    }
    
    public int getI(){
        return i;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        exec.execute(new AccountingSyncClass());
        exec.execute(new AccountingSyncClass());
        exec.execute(new OtherTask()); // 1
        exec.shutdown();
    }
}

输出结果为：
1459696
2692181
2754098

注释掉代码中的 1 那一行代码的输出结果为：
1468495
2000000

由于synchronized关键字修饰的是静态increase方法，与修饰实例方法不同的是，其锁对象是当前类的class对象。
注意代码中的increase4Obj方法是实例方法，其对象锁是当前实例对象，如果别的线程调用该方法，将不会产生互斥现象，毕竟锁对象不同，但我们应该意识到这种情况下可能会发现线程安全问题(操作了共享静态变量i)。
因此在设计同步代码的时候一定要仔细思考到底该用多大的同步粒度和该对什么对象使用同步操作。

4. synchronized同步代码块

除了使用关键字修饰实例方法和静态方法外，还可以使用同步代码块，**在某些情况下，我们编写的方法体可能比较大，同时存在一些比较耗时的操作，而需要同步的代码又只有一小部分，如果直接对整个方法进行同步操作，可能会得不偿失，此时我们可以使用同步代码块的方式对需要同步的代码进行包裹，**这样就无需对整个方法进行同步操作了。

public class AccountingSync implements Runnable{
    static AccountingSync instance=new AccountingSync();
    static int i=0;
    @Override
    public void run() {
        //省略其他耗时操作....
        //使用同步代码块对变量i进行同步操作,锁对象为instance
        synchronized(instance){
            for(int j=0;j<1000000;j++){
                    i++;
              }
        }
    }
    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);
    }
}

从代码看出，将synchronized作用于一个给定的实例对象instance，即当前实例对象就是锁对象，每次当线程进入synchronized包裹的代码块时就会要求当前线程持有instance实例对象锁。
如果当前有其他线程正持有该对象锁，那么新到的线程就必须等待，这样也就保证了每次只有一个线程执行i++操作。

5. synchronized作用于类

当然除了instance作为对象外，我们还可以使用this对象(代表当前实例)或者当前类的class对象作为锁。

//this,当前实例对象锁
synchronized(this){
    for(int j=0;j<1000000;j++){
        i++;
    }
}

//class对象锁
synchronized(AccountingSync.class){
    for(int j=0;j<1000000;j++){
        i++;
    }
}

同步方法最好运用在共享资源内部而不是使用它的外部

package sychronized;

import static net.mindview.util.Print.*;
import java.util.concurrent.*;

class OtherTask implements Runnable{
    AccountingSyncClass accounting = new AccountingSyncClass();
    @Override
    public void run(){
        for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
            accounting.increaseForObject();
        }
        print(accounting.getAdapterInteger());
    }
}

class AdapterInteger {
    private int i = 0;
    public synchronized void increase(){
        ++i;
    }
    public synchronized int getI(){
        return i;
    }
}

public class AccountingSyncClass implements Runnable {
    //共享资源(临界资源)
    private static AdapterInteger adapterInteger = new AdapterInteger();

    /**
     * synchronized 修饰实例方法
     */
    public synchronized void increaseForObject() {
        adapterInteger.increase();
    }

    public synchronized static void increase() {
        adapterInteger.increase();
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
            increase();
        }
        print(getAdapterInteger());
    }

    public static int getAdapterInteger() {
        return adapterInteger.getI();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        exec.execute(new AccountingSyncClass());
        exec.execute(new AccountingSyncClass());
        exec.execute(new OtherTask());
        exec.shutdown();
    }
}

#输出结果为
1183139
2688189
3000000

这样三个线程中的任务的锁都是我们的共享变量 adapterInteger 对象的锁，这样就可以完成真正的同步，不管哪个线程都是获得了 adapterInteger 对象的锁才能运行相应的代码。

总结

无论synchronized关键字加在方法上还是对象上，如果它作用的对象是非静态的，则它取得的锁是对象；如果synchronized作用的对象是一个静态方法或一个类，则它取得的锁是对类，该类所有的对象同一把锁。
每个对象只有一个锁（lock）与之相关联，谁拿到这个锁谁就可以运行它所控制的那段代码。
实现同步是要很大的系统开销作为代价的，甚至可能造成死锁，所以尽量避免无谓的同步控制。

Ref

https://blog.csdn.net/zhangqilugrubby/article/details/80500505
https://segmentfault.com/a/1190000012203437#articleHeader2
https://www.jianshu.com/p/ffb8e441b55b

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原始发表：2019-08-27 ，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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1. 综述

2. synchronized作用于实例方法

3. synchronized作用于静态方法

4. synchronized同步代码块

5. synchronized作用于类

同步方法最好运用在共享资源内部而不是使用它的外部

总结

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