HIT Software Construction Lab6引发出来对锁的问题的探究

Posted 2021-12-14 sebastianliu

前言

做完lab5开始做lab6了鸭，哈工大计算机学院的学生永不停歇。在做lab6的时候，我在想移动猴子是锁一整个ladder(ADT)还是只锁一个ladder的一个域Monkey数组呢？这两个好像差不多，然后就开始思考锁一个对象和锁其中一个域有什么区别？如果锁了对象对于方法调用有什么影响？回想起上课老师讲的一个类的synchronized方法之间是mutual excluded我就不太明白这到底是怎么回事
我问了隔壁大佬如果锁了对象，类似于：

synchronized (object) 
...

这样的做法，两个线程能不能同时调用一个对象的方法，大佬给我的答案是不可以。
但是又回想起上课的时候老师给我们做了练习，大致如下：

List<String> list = ArrayList<>();
synchronized(list)
...

在这个例子中别的线程是可以同时调用list.get()方法的
然后再问大佬，大佬就跟我说了一堆我听不懂的东西，然后说自己去吃饭去了，让我自己理解一下
凭借我足以过六一儿童节的智商我表示无法理解这件事
然后我就做了些实验。

实验内容

实验一

如果在两个线程中，A线程中用锁锁了一个对象a，B线程没有锁a，然后调用a的方法，会发生什么？我就用刚刚那个list作为实验内容，代码如下：

public class ServiceA extends Thread 
  private List<String> list;
  public ServiceA(List<String> list) 
    super();
    this.list = list;
  
  public void run() 
    System.out.println("here is thread a runnning");
    synchronized (list) 
      for(int i = 0;i<100;i++) 
        list.add(String.valueOf(i));
        System.out.println("thread a added "+i);
          try 
            Thread.sleep(1000);
           catch (InterruptedException e) 
            
          
          
    
  

public class ServiceB extends Thread
  private List<String> list;
  public ServiceB(List<String> list) 
    super();
    this.list = list;
  
  public void run() 
    System.out.println("here is thread b runnning");
    System.out.println(list.get(0));
    

简单解释一下这两个类，可以看出ServiceA的操作是一个mutator，ServiceB的操作是一个observer接下来的main函数中我会把同一个list传入这两个类的实例中，然后让这两个类作为两个线程跑，且A会在B之前跑，我在A中每次插入之后都会让这个线程sleep，强迫系统调度B线程，如果能同时调用这两个方法的话A中的输出会穿插着B中的输出
接下来是main函数：

public class SynchronizedTestMain 

  public static void main(String[] args) 
    List<String> list = new ArrayList<>();
    ServiceA a = new ServiceA(list);
    ServiceB b = new ServiceB(list);
    a.start();
    try 
      Thread.sleep(1000);
     catch (InterruptedException e) 
    
    b.start();
  

失误了……应该少设置点i的，但是结果很明显，如果在一个线程中用synchronized锁住了一个对象，另一个线程是可以调用这个对象的方法的
那么大佬的归不太可能出错的咯，大佬什么意思呢？由此我做了实验二

实验二

我把ServiceB中的语句也用synchronized包起来：

public class ServiceB extends Thread
  private List<String> list;
  public ServiceB(List<String> list) 
    super();
    this.list = list;
  
  public void run() 
    System.out.println("here is thread b runnning");
    synchronized (list) 
      System.out.println(list.get(0));
    
  

结果就是顺序执行

这里虽然输出了threadB在运行，但是并没有输出list的第一个元素，说明被block了（才不是我写代码失误然后懒得改了哼！）

那么结论已经出来了，如果两个线程同时锁了一个对象，那么一次只有一个线程能够使用这个对象的方法，如果只有一个线程锁了，另一个线程是能够使用这个对象的方法的。
照这个理论来说，两个线程是不可以分别同时使用一个对象的两个synchronized方法的，因为synchronized方法相当于在函数体最外围包一个synchronized(this)
那么就来做实验看看吧~
实验三

public class TextExample  
  String text = "text";
  public synchronized void insert(String ins, int pos) 
    System.out.println("here is "+Thread.currentThread().getName()+" inserting");
    System.out.println("now "+Thread.currentThread().getName()+" starts sleeping");
    try 
      int i = 0;
      while(i<3) 
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" has slept for "+i+" secs");
        i++;
      
     catch(InterruptedException e)  
    
    text = text.substring(0,pos)+ins+text.substring(pos);
    System.out.println("now "+ Thread.currentThread().getName()+" has finished inserting");
  
  public synchronized void delete(int pos, int len) 
    System.out.println("here is "+Thread.currentThread().getName()+" deleting");
    System.out.println("now "+Thread.currentThread().getName()+" starts sleeping");
    try 
      int i = 0;
      while(i<3) 
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" has slept for "+i+" secs");
        i++;
      
     catch(InterruptedException e) 
      
    
    text = text.substring(0, pos)+text.substring(pos+len);
    System.out.println("now "+ Thread.currentThread().getName()+" has finished deleting");
    
  

public class ThreadExample extends Thread 
  private TextExample txteg;
  private int choice;
  public ThreadExample(TextExample txteg, int i) 
    super();
    this.txteg = txteg;
    choice = i;
  
  
  @Override
  public void run() 
    if(choice == 1) 
      txteg.insert("====", 2);
    
    else if(choice == 2) 
      txteg.delete(2, 4);
    
  

public class SynchronizedExampleTest 

  public static void main(String[] args) 
    TextExample textExample = new TextExample();
    ThreadExample threadExample1 = new ThreadExample(textExample, 1);
    threadExample1.setName("thread1");
    ThreadExample threadExample2 = new ThreadExample(textExample, 2);
    threadExample2.setName("thread2");
    threadExample1.start();
    try 
      Thread.sleep(1000);
    catch(InterruptedException e) 
      
    
    threadExample2.start();
  

这次我用了老师上课给的synchronized方法的例子，具体见MIT 6.031 Reading 21
我在textExample里面让他多睡了一会儿然后输出，方便观察，如果能同时运行的话，输出应该是在1睡的时候2能够对字符串进行修改，否则2只能等1睡完才能对字符串进行修改

顺序执行，说明我之前想的没错，问题完美解决~

结语

这三个实验得出来的结论如下：

1. 如果两个线程A和B同时锁了一个对象Object，那么一次只有一个线程能够使用Object的方法，如果只有一个线程，比如A锁了Object，另一个线程B没有锁Object，那么B是能够使用Object的方法的。
2. 两个线程不能同时使用一个对象的两个synchronized方法，因为synchronized方法相当于在函数体外面包一个synchronized(this)

这次实验做下来感觉很舒服，自己探索问题并且得出结论的感觉真的很棒，虽然这个问题好像很基础的样子，我可真是太菜了……
果然老师说的有什么问题不懂java都能告诉我答案，想不明白就去做实验吧~
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经过和FGS同学的探讨之后，他提供给了我一个新的角度去理解这个问题，我觉得很不错：
本质上说synchronized(Object)A锁的就是代码块A，可以将Object看作是一个钥匙，用来开这个锁，一个钥匙一次只能在一个线程的手上。
如果两个线程，比如A和B都用了同一个锁锁住了各自的代码块，假设A先抢到了钥匙，那么没抢到钥匙的那个线程B就得等抢到钥匙的那个线程A先执行完自己代码块当中的内容后，A将钥匙归还，B才能拿到钥匙，才能执行自己代码块中的内容。
锁本质上锁的是对代码块中的内容的权限，所以就算换一个对象锁也没什么问题。这也就解释了为什么如果线程B中不用锁锁上，是不影响调用Object的方法的。