学而实习之 不亦乐乎

Java 中使用 synchronized 实现并发编程

2022-08-27 08:34:49

一、Synchronized 简介

synchronized 是 Java 中的关键字，是一种同步锁。解决了多个线程之间的资源同步性，synchronized 关键字保证了它修饰的方法或者代码块任意时刻只有一个线程在访问。synchronized 是重量级锁，因为监视锁是依赖于底层操作系统 mutex lock 实现的，java 线程是映射到操作系统之上的。如果要挂起或者唤醒一个线程需要操作系统来帮忙完成，而操作系统从用户态切换到内核态之间的状态非常耗时，成本高。

从jdk6开始以后对锁开始了大量的优化：如自旋锁，适应性自旋锁，锁消除，锁粗化，偏向锁，轻量级锁等技术减少锁操作的的开销。

synchronized 修饰的对象有以下几种：

  1.  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；
  2.  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；
  3.  修改一个静态的方法，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；
  4.  修改一个类，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。

二、实例

1、修饰一个代码块

【1】一个线程访问一个对象中的synchronized(this)同步代码块时，其他试图访问该对象的线程将被阻塞。

例子：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class SyncTester {
    public static void main(String[] args) {
        SyncThread syncThread = new SyncThread();
        Thread thread1 = new Thread(syncThread, "SyncThread1");
        Thread thread2 = new Thread(syncThread, "SyncThread2");
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}
class SyncThread implements Runnable {
    private static int count;
    public SyncThread() {
        count = 0;
    }
    public  void run() {
       synchronized (this){
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                try {
                    System.out.println("线程名:"+Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
    public int getCount() {
        return count;
    }
}

使用关键字synchronized运行结果:

线程名:SyncThread1:0
线程名:SyncThread1:1
线程名:SyncThread1:2
线程名:SyncThread1:3
线程名:SyncThread1:4
线程名:SyncThread2:5
线程名:SyncThread2:6
线程名:SyncThread2:7
线程名:SyncThread2:8
线程名:SyncThread2:9

不使用关键字synchronized运行结果:

线程名:SyncThread2:1
线程名:SyncThread1:0
线程名:SyncThread2:3
线程名:SyncThread1:2
线程名:SyncThread1:4
线程名:SyncThread2:4
线程名:SyncThread1:6
线程名:SyncThread2:5
线程名:SyncThread2:7
线程名:SyncThread1:7

当两个并发线程(thread1和thread2)访问同一个对象(syncThread)中的synchronized代码块时，在同一时刻只能有一个线程得到执行，另一个线程受阻塞，必须等待当前线程执行完这个代码块以后才能执行该代码块。Thread1和thread2是互斥的，因为在执行synchronized代码块时会锁定当前的对象，只有执行完该代码块才能释放该对象锁，下一个线程才能执行并锁定该对象。
我们再把SyncThread的调用稍微改一下：

public static void main(String[] args) {
        System.out.println("使用关键字synchronized每次调用进行new SyncThread()");
        Thread thread1 = new Thread( new SyncThread(), "SyncThread1");
        Thread thread2 = new Thread( new SyncThread(), "SyncThread2");
        thread1.start();
        thread2.start();
}

运行结果:

线程名:SyncThread2:1
线程名:SyncThread1:0
线程名:SyncThread1:2
线程名:SyncThread2:2
线程名:SyncThread1:4
线程名:SyncThread2:3
线程名:SyncThread1:5
线程名:SyncThread2:5
线程名:SyncThread1:6
线程名:SyncThread2:6

为什么上面的例子中thread1和thread2同时在执行。这是因为synchronized只锁定对象，每个对象只有一个锁（lock）与之相关联，而上面的代码等同于下面这段代码：

public static void main(String[] args) {
    System.out.println("使用关键字synchronized每次调用进行new SyncThread()");
    SyncThread syncThread1 = new SyncThread();
    SyncThread syncThread2 = new SyncThread();
    Thread thread1 = new Thread(syncThread1, "SyncThread1");
    Thread thread2 = new Thread(syncThread2, "SyncThread2");
    thread1.start();
    thread2.start();
}

这时创建了两个SyncThread的对象syncThread1和syncThread2，线程thread1执行的是syncThread1对象中的synchronized代码(run)，而线程thread2执行的是syncThread2对象中的synchronized代码(run)；我们知道synchronized锁定的是对象，这时会有两把锁分别锁定syncThread1对象和syncThread2对象，而这两把锁是互不干扰的，不形成互斥，所以两个线程可以同时执行。

【2】当一个线程访问对象的一个synchronized(this)同步代码块时，另一个线程仍然可以访问该对象中的非synchronized(this)同步代码块。

多个线程访问synchronized和非synchronized代码块

public static void main(String[] args) {
        System.out.println("使用关键字synchronized");
        Mthreads mt=new Mthreads();
        Thread thread1 = new Thread(mt, "mt1");
        Thread thread2 = new Thread(mt, "mt2");
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

class Mthreads implements Runnable{
private int count;

public Mthreads() {
    count = 0;
}

public void countAdd() {
    synchronized(this) {
        for (int i = 0; i < 5; i ++) {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

//非synchronized代码块，未对count进行读写操作，所以可以不用synchronized
public void printCount() {
    for (int i = 0; i < 5; i ++) {
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " count:" + count);
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public void run() {
    String threadName = Thread.currentThread().getName();
    if (threadName.equals("mt1")) {
        countAdd();
    } else if (threadName.equals("mt2")) {
        printCount();
    }
}

运行结果：

mt2 count:1
mt1:0
mt2 count:1
mt1:1
mt2 count:2
mt1:2
mt1:3
mt2 count:4
mt2 count:4
mt1:4

上面代码中countAdd是一个synchronized的，printCount是非synchronized的。从上面的结果中可以看出一个线程访问一个对象的synchronized代码块时，别的线程可以访问该对象的非synchronized代码块而不受阻塞。

2、修饰一个方法

Synchronized修饰一个方法很简单，就是在方法的前面加synchronized，public synchronized void method(){}; synchronized修饰方法和修饰一个代码块类似，只是作用范围不一样，修饰代码块是大括号括起来的范围，而修饰方法范围是整个函数。如将的run方法改成如下的方式，实现的效果一样。

public synchronized void run() {
    {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            try {
                System.out.println("线程名:"+Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

Synchronized 作用于整个方法的写法。

写法一:

public synchronized void method()
{
   // todo
}

写法二:

public void method()
{
   synchronized(this) {
       
   }
}

写法一修饰的是一个方法，写法二修饰的是一个代码块，但写法一与写法二是等价的，都是锁定了整个方法时的内容。

在用synchronized修饰方法时要注意以下几点：
1. synchronized关键字不能继承。
虽然可以使用synchronized来定义方法，但synchronized并不属于方法定义的一部分，因此，synchronized关键字不能被继承。如果在父类中的某个方法使用了synchronized关键字，而在子类中覆盖了这个方法，在子类中的这个方法默认情况下并不是同步的，而必须显式地在子类的这个方法中加上synchronized关键字才可以。当然，还可以在子类方法中调用父类中相应的方法，这样虽然子类中的方法不是同步的，但子类调用了父类的同步方法，因此，子类的方法也就相当于同步了。这两种方式的例子代码如下：

在子类方法中加上synchronized关键字

class Parent {
   public synchronized void method() { }
}

class Child extends Parent {
   public synchronized void method() { }
}

在子类方法中调用父类的同步方法

class Parent {
   public synchronized void method() {   }
}
class Child extends Parent {
   public void method() { super.method();   }
}

在定义接口方法时不能使用synchronized关键字。构造方法不能使用synchronized关键字，但可以使用 synchronized 代码块来进行同步。

3、修饰一个静态的方法

Synchronized也可修饰一个静态方法，用法如下：

public synchronized static void method() {
    
}

我们知道静态方法是属于类的而不属于对象的。同样的，synchronized修饰的静态方法锁定的是这个类的所有对象。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
 
public class SyncTester {
    public static void main(String[] args) {
        SyncThread syncThread = new SyncThread();
        Thread thread1 = new Thread(syncThread, "SyncThread1");
        Thread thread2 = new Thread(syncThread, "SyncThread2");
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}
class SyncThread implements Runnable {
    private static int count;
 
    public SyncThread() {
        count = 0;
    }
 
    public synchronized static void method() {
        for (int i = 0; i < 5; i ++) {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
 
    public synchronized void run() {
        method();
    }
}

运行结果：

SyncThread1:0
SyncThread1:1
SyncThread1:2
SyncThread1:3
SyncThread1:4
SyncThread2:5
SyncThread2:6
SyncThread2:7
SyncThread2:8
SyncThread2:9

syncThread1和syncThread2是SyncThread的两个对象，但在thread1和thread2并发执行时却保持了线程同步。这是因为run中调用了静态方法method，而静态方法是属于类的，所以syncThread1和syncThread2相当于用了同一把锁。这与使用关键字synchronized运行结果相同

4、修饰一个类

Synchronized还可作用于一个类，用法如下：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
 
public class SyncTester {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("使用ClassName");
        SyncThread syncThread = new SyncThread();
        Thread thread1 = new Thread(syncThread, "SyncThread1");
        Thread thread2 = new Thread(syncThread, "SyncThread2");
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}
class ClassName {
    public void method() {
        synchronized(ClassName.class) {
 
        }
    }
}
class SyncThread implements Runnable {
    private static int count;
 
    public SyncThread() {
        count = 0;
    }
 
    public static void method() {
        synchronized(SyncThread.class) {
            for (int i = 0; i < 5; i ++) {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
 
    public synchronized void run() {
        method();
    }
}

运行结果：

SyncThread1:0
SyncThread1:1
SyncThread1:2
SyncThread1:3
SyncThread1:4
SyncThread2:5
SyncThread2:6
SyncThread2:7
SyncThread2:8
SyncThread2:9

效果和上面synchronized修饰静态方法是一样的，synchronized作用于一个类T时，是给这个类T加锁，T的所有对象用的是同一把锁。

三、总结

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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