synchronized学习

Posted 2021-01-29 volcano-liu

　　现代软件开发中并发已经成为一项基础能力，而Java精心设计的高效并发机制，正是构建大规模应用的基础之一。本文中我们将学习synchronized关键字的基本用法。

　　synchronized是Java内建的同步机制，也称为Intrinsic Locking，它提供了互斥的语义和可见性，当任务要执行被synchronized关键字保护的代码片段的时候，它将检查锁是否可用，然后获取锁，执行代码，释放锁；同时，其他试图获取锁的线程只能等待或者阻塞在那里。

 

synchronized用法

　　synchronized可以加在普通方法前、代码块上、静态方法前、类上，加在不同的地方锁是不一样的，如下：

• 加在普通方法上，锁是当前实例对象；

private synchronized void f(){
    // doSomething
}

 　　注意：synchronized关键字是不能继承的，也就是说，基类的方法 synchronized fun(){} 在继承类中并不自动是 synchronized fun(){} ，而是变成了 fun(){} 。继承时，需要显式的指定它的某个方法为 synchronized 方法。

 

• 加在静态方法和类上，锁是当前类的class对象；

public synchronized class F{
    // doSomething
}

public class E{
    public static synchronized void f(){
        // doSomething
    }
}

 

• 同步方法块，锁是括号里面的对象，可以是普通对象，也可以是class对象；

public class F{
    public void f(){
        synchronized(this){
            // doSomething
        }
    }

    public void e(){
        synchronized(Object.class){
            // doSomething
        }
    }
}

 

　　我们先看一个简单的示例：

public class SynLockTest {
    
    private static int index = 0;
    
    public static void runTest() {
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                for(int i=0 ; i<1000 ; i++) {
                    synchronized(SynLockTest.class) {
                        index++;
                    }
                }
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                for(int i=0 ; i<1000 ; i++) {
                    synchronized(SynLockTest.class) {
                        index++;
                    }                    
                }
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
    
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        runTest();
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println(index);
    }
}

　　如上代码中，主线程会启动两个子线程(t1、t2)，每个线程的任务是一样的，都是对共享变量index自增1000次，接着主线程休眠2s，再输出index的值，代码中对自增操作进行了同步(synchronized代码块包围)，同步锁是SynLockTest这个类的class对象，最终程序输出结果将是2000，如果这里不进行同步或者将同步代码块中的锁改为this，输出结果大多数情况下应该是小于2000的，这是为什么呢？

 

　　首先，Java中的自增操作并不是一次完成的，虚拟机在执行的时候首先要读取index的值，然后将index的值加1，最后将index的值更新，这三步是分开进行的，如果线程t1读取了index的值，这时候线程t1的时间片用完了，被挂起，t2开始执行。。。吭哧吭哧一堆自增，结束之后，t1继续执行，这时t1进行一次自增之后会更新index的值，注意，这里更新的是t1之前所持有的index的值，相当于把t2刚才所做的操作全部覆盖了，相当于t2白做了，所以最终输出结果小于2000，因为部分自增的结果被覆盖了。

　　再说把锁换成this之后，这时虽然自增操作虽然被同步块保护了，但是这里获取的锁是匿名类这个对象(Runnable)的锁，而t1和t2中的这个匿名类是不一样的(都是new出来的)，所以并没有互斥效果，也就相当于和没有加锁一个效果。

 

synchronized作用

　　synchronized的作用是通过互斥来实现线程安全，关于线程安全，需要保证几个基本特性，本文简单介绍一下(详细可以参考Java内存模型一文)：

 

• 原子性，简单说就是相关操作不会中途被其他线程干扰，一般通过同步机制实现。

• 可见性，是一个线程修改了某个共享变量，其状态能够立即被其他线程知晓，通常被解释为将线程本地状态反映到主内存上，volatile就是负责保证可见性的。

• 有序性，是保证线程内串行语义，避免指令重排等。

 

　　关于原子性，可参考如上例子，在自增操作上加上同步控制，保证同一时刻只能有一个线程执行自增操作，并且执行的过程不会被其他线程打断。

　　关于可见性，线程在获取到锁时，JVM会把该线程对应的本地内存置为无效，并且会从主内存中读取共享变量。线程释放锁时，JVM会把该线程对应的本地内存中的共享变量立即刷新到主内存中。通过这种方式来保证变量的可见性。

　　关于有序性，被同步的代码，同一时刻只能有一个线程会执行，而Java本身是能保证这一点的(线程内表现为串行的语义，Within-Thread As-If-Serial Sematics)，所以说在这个层面上synchronized是能实现有序性的。

 　　这一部分关于synchronized如何实现原子性、可见性、有序性只是简单介绍，后面会从底层实现来详细总结synchronized是如何实现这些功能的。

 

总结

1. synchronized的基本用法，修饰代码块，以及分别加什么锁；
2. synchronized的作用，可以保证原子性、可见性和有序性的；

　　综上，synchronized是万精油，使用起来很方便，直接在要保护的代码块上加上synchronized修饰即可，可读性很高。虽然早期synchronized的性能问题多为人诟病，但是现代JDK对synchronized进行了很大优化，在通用场景下，我们无需过多关注这点。因此，一般以synchronized关键字入手，只有在性能调优时才考虑替换为Lock对象或采用原子类。

　　本文只是简单总结了synchronized的用法及作用，并未涉及其底层原理，这部分内容会在后面撰文详述。