多线程系列(三) -synchronized 关键字使用详解

时间：2024-02-20 11:54:58

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。

六、参考

1、五月的仓颉 - synchronized锁机制

2、你听 - 让你彻底理解Synchronized

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