锁 & synchronized 关键字

Posted 2021-12-22 一朵花花

本篇接着上篇 线程安全，可以先看一下上篇~~

锁

• • 锁 是什么？
  • 锁的特点：
  • 锁的基本操作：
  • 锁的使用
  • • synchronized 关键字 — 监视器锁
    • 理解 synchronized 的具体使用：
    • • synchronized 的几种常见用法：
      • 举例： 两个线程尝试获取同一把锁🔒
      • 若两个线程分别加自己的锁(即：不是同一把锁)
      • 在一个加锁的代码内部，再次尝试对同一个对象加锁

锁 是什么？

举例理解：

锁的特点：

锁的特点是互斥的，同一时刻只有一个线程能获取到锁，其他的线程若也尝试获取锁，就会发生阻塞等待，一旦发生等待，需一直等到刚才的线程释放锁，此时剩下的线程再重新竞争锁

锁的基本操作：

1.加锁(获取锁) — lock
2.解锁(释放锁) — unlock

锁的使用

synchronized 关键字 — 监视器锁

Java 中使用锁，需要借助关键字 synchronized

例如，上边自增的例子，我们可以在方法前加这个关键字：
加锁解锁都由一个关键字来包办，这样的好处是：避免出现忘记解锁的情况

synchronized public void increase()
    count++;

此时就是：进入 increase 方法前，会先尝试加锁；increase 方法执行完毕后，就会自动解锁
尝试加锁的时候不一定就能立刻成功，如果发现当前的锁已经被占用了，该代码就会阻塞等待，一直等到之前的线程释放锁，才可能会获取到这个锁

此时，看运行结果：

上述结果，我们就发现，自增发生的线程不安全问题就得到了解决
那么，锁是如何解决线程安全问题的？？？

线程 在获取到锁之后，如果出问题(因为其他原因导致长时间的阻塞)，此时，其他线程也只能"干瞪眼"~
这也是多线程编程时会遇到的一个常见困难，极端情况下，可能会出现死锁的情况。一旦死锁了，锁就永远也解不开了，程序也就凉凉了~~

死锁中非常经典的案例：哲学家进餐问题

锁，用起来没那么容易，存在很多注意事项：

• 使用的时候，一定要注意按照正确的方式来使用，否则就容易出现各种问题
• 一旦使用锁，这个代码基本上就和 “高性能” 无缘了
  锁的等待时间是不可控的，可能会等很久很久

之前所学习的 StringBuffer 是线程安全的，StringBuilder 是线程不安全的，换句话说，也就是 StringBuffer 内部加锁了，同样，还有 Vector(🔒) / ArrayList ，HashTable(🔒) / HashMap
若在单线程下使用，仍然建议使用不加锁的，因为更高效！

理解 synchronized 的具体使用：

可以灵活的指定某个对象来加锁，而不仅仅是把锁加到某个方法上
若把 synchronized 关键字写到方法前，相当于给当前对象 (this) 来加锁
所谓的加锁，其实是给某个指定的对象来加锁

画图理解：

synchronized 的几种常见用法：

1.加到普通方法前：表示锁 this
2.加到静态方法前：表示锁 当前类的类对象
3.加到某个代码块前：显式指定给某个对象加锁

// 3 举例:
public class ThreadDemo15 
    static class Test
        public void method()
            // 这里写成 this,也就是给下面的 t 加锁
            synchronized (this)
                System.out.println("呵呵");
            
        
    
    public static void main(String[] args) 
        Test t = new Test();
        t.method();
    

.

举例： 两个线程尝试获取同一把锁🔒

public class ThreadDemo16 
    public static void main(String[] args) 
        Object locker = new Object();

        Thread t1 = new Thread()
            @Override
            public void run()
                Scanner scan = new Scanner(System.in);
                synchronized (locker)
                    System.out.println("请输入一个整数: ");
                    // 用户如果不输入，就会一直阻塞在 nextInt 里，这个锁就会被一直占有
                    int num = scan.nextInt();
                    System.out.println("num = " + num);
                
            
        ;
        t1.start();

        Thread t2 = new Thread()
            @Override
            public void run()
                while (true)
                    synchronized (locker)
                        System.out.println("线程2 获取到锁啦~");
                        try 
                            Thread.sleep(1000);
                        
                        catch (InterruptedException e) 
                            e.printStackTrace();
                        
                    
                
            
        ;
        t2.start();
    

输出结果：

由输出结果可以发现：一旦线程1 获取到锁，并且没有释放的话，线程2 就会一直在锁着里阻塞等待
可通过 jconsole 查看：

.

.

当输入一个整数之后，让 线程1 释放锁之后，线程2 才能继续执行：

若两个线程分别加自己的锁(即：不是同一把锁)

也就是 让线程1 加锁 locker1，线程2 加锁 locker2
此时再运行结果，就会发现，两个线程之间不再有任何竞争关系，各自跑各自的~

t1 获取到锁之后，t2 仍然再继续执行，即：两个线程之间没有竞争，没有互斥了 (用的两个对象来分别 synchronized)

.

仍以取钱为例：
两个人分别在不同的ATM机里取钱，就没有竞争，各自取各自的

锁和对象是一一对应的，每个对象的对象头内部都有一个锁标记，在加锁时，一定要明确当前的代码是在给哪个对象进行加锁，以及需要思考清楚，这样的操作是否能起到互斥的效果

若再将代码修改为(只贴修改了之后的代码)：

synchronized (locker1.getClass())

synchronized (locker2.getClass())

那么，此时，线程1 和 线程2 会在发生互斥嘛？

会发生互斥，因为getClass 得到的是类对象(类对象只有一个，同一个类只有唯一的类对象)，两个线程都在分别针对 locker1 和 locker2 的类对象进行竞争，此处 locker1 和 locker2 类型都是 Object，对应的类对象其实是相同的对象
线程1 尝试加锁的时候，就会把这个对象头的锁标记改成 true，此时，若线程2 也去尝试加锁，就会发现标记已经是 true，就无法修改了，就会陷入阻塞，因此，发生了竞争互斥

在一个加锁的代码内部，再次尝试对同一个对象加锁

代码示例：

public static void main(String[] args) 
    Object locker = new Object();
    Thread t = new Thread()
        @Override
        public void run()
            synchronized (locker)
                System.out.println("请输入一个数: ");
                Scanner scan = new Scanner(System.in);
                int num1 = scan.nextInt();
                System.out.println(num1);

                synchronized (locker)
                    System.out.println("请输入一个数: ");
                    int num2 = scan.nextInt();
                    System.out.println(num2);
                
            
        
    ;
    t.start();

此时由于 locker 对象已经被加锁了，因此第二个对 locker 对象加锁的操作应该会加锁失败(需要第一个锁释放)，这个代码看起来是一个死锁
事实上，这个代码不会死锁，synchronized 在内部针对这样的情况进行了特殊处理，synchronized 底层调用的是 操作系统提供的 mutex (互斥量)

Java 中的加锁 → pthread_mutex_lock函数
如果在一个线程中，连续调用两次这个方法，就会产生死锁
synchronized 会在加锁时判定，若当前对象已经在 当前线程 中加过锁了，这个操作并不会真的执行这个 lock 函数，而是仅仅维护一个"引用计数"
第一次进行 synchronized 的时候，才真的调用了这个 lock 函数

Java 中的解锁 → pthread_mutex_unlock函数
当"引用计数" 减到0时，才真的调用 unlock 函数

上述这种特性的锁 — 可重入锁

总结：
每个类有一个自己的唯一的类对象，若 locker1 和 locker2 类型不同，对应到两个类对象(两把锁，就不会发生竞争)
但是如果两个对象是相同类，就是对应到一个类对象(即：同一把锁，就会发生竞争)