Java之戳中痛點之synchronized 深度解析
概覽:
- 簡介:作用、地位、不控制并發的影響
- 用法:對象鎖和類鎖
- 多線程訪問同步方法的7種情況
- 性質:可重入、不可中斷
- 原理:加解鎖原理、可重入原理、可見性原理
- 缺陷:效率低、不夠靈活、無法預判是否成功獲取到鎖
- 如何選擇Lock或Synchronized
- 如何提高性能、JVM如何決定哪個線程獲取鎖
- 總結
后續會有代碼演示,測試環境 JDK8、IDEA
一、簡介
1、作用
能夠保證在同一時刻最多只有一個線程執行該代碼,以保證并發安全的效果。
2、地位
- Synchronized是Java關鍵字,Java原生支持
- 最基本的互斥同步手段
- 并發編程的元老級別
3、不控制并發的影響
測試:兩個線程同時a++,猜一下結果
- package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
- /**
- * 不使用synchronized,兩個線程同時a++
- *
- * @author JSON
- */
- public class SynchronizedTest1 implements Runnable{
- static SynchronizedTest1 st = new SynchronizedTest1();
- static int a = 0;
- /**
- * 不使用synchronized,兩個線程同時a++
- */
- public static void main(String[] args) throws Exception{
- Thread t1 = new Thread(st);
- Thread t2 = new Thread(st);
- t1.start();
- t2.start();
- t1.join();
- t2.join();
- System.out.println(a);
- }
- @Override
- public void run(){
- for(int i=0; i<10000; i++){
- a++;
- }
- }
- }
預期是20000,但多次執行的結果都小于20000
- 10108
- 11526
- 10736
- ...
二、用法:對象鎖和類鎖
1、對象鎖
- 代碼塊形式:手動指定鎖對象
- 方法鎖形式:synchronized修飾方法,鎖對象默認為this
- package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
- /**
- * 對象鎖實例: 代碼塊形式
- *
- * @author JSON
- */
- public class SynchronizedTest2 implements Runnable{
- static SynchronizedTest2 st = new SynchronizedTest2();
- public static void main(String[] args) {
- Thread t1 = new Thread(st);
- Thread t2 = new Thread(st);
- t1.start();
- t2.start();
- while(t1.isAlive() || t2.isAlive()){
- }
- System.out.println("run over");
- }
- @Override
- public void run(){
- synchronized (this){
- System.out.println("開始執行:" + Thread.currentThread().getName());
- try {
- // 模擬執行內容
- Thread.sleep(3000);
- }catch (Exception e){
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println("執行結束:" + Thread.currentThread().getName());
- }
- }
- }
- package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
- /**
- * 對象鎖實例:synchronized方法
- * @author JSON
- */
- public class SynchronizedTest3 implements Runnable{
- static SynchronizedTest3 st = new SynchronizedTest3();
- public static void main(String[] args) throws Exception{
- Thread t1 = new Thread(st);
- Thread t2 = new Thread(st);
- t1.start();
- t2.start();
- t1.join();
- t2.join();
- System.out.println("run over");
- }
- @Override
- public void run(){
- method();
- }
- public synchronized void method(){
- System.out.println("開始執行:" + Thread.currentThread().getName());
- try {
- // 模擬執行內容
- Thread.sleep(3000);
- }catch (Exception e){
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println("執行結束:" + Thread.currentThread().getName());
- }
- }
結果:
- 開始執行:Thread-0
- 執行結束:Thread-0
- 開始執行:Thread-1
- 執行結束:Thread-1
- run over
2、類鎖
概念:Java類可能有多個對象,但只有一個Class對象
本質:所謂的類鎖,不過是Class對象的鎖而已
用法和效果:類鎖只能在同一時刻被一個對象擁有
形式1:synchronized加載static方法上
形式2:synchronized(*.class)代碼塊
- package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
- /**
- * 類鎖:synchronized加載static方法上
- *
- * @author JSON
- */
- public class SynchronizedTest4 implements Runnable{
- static SynchronizedTest4 st1 = new SynchronizedTest4();
- static SynchronizedTest4 st2 = new SynchronizedTest4();
- public static void main(String[] args) throws Exception{
- Thread t1 = new Thread(st1);
- Thread t2 = new Thread(st2);
- t1.start();
- t2.start();
- t1.join();
- t2.join();
- System.out.println("run over");
- }
- @Override
- public void run(){
- method();
- }
- public static synchronized void method(){
- System.out.println("開始執行:" + Thread.currentThread().getName());
- try {
- // 模擬執行內容
- Thread.sleep(3000);
- }catch (Exception e){
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println("執行結束:" + Thread.currentThread().getName());
- }
- }
- package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
- /**
- * 類鎖:synchronized(*.class)代碼塊
- *
- * @author JSON
- */
- public class SynchronizedTest5 implements Runnable{
- static SynchronizedTest4 st1 = new SynchronizedTest4();
- static SynchronizedTest4 st2 = new SynchronizedTest4();
- public static void main(String[] args) throws Exception{
- Thread t1 = new Thread(st1);
- Thread t2 = new Thread(st2);
- t1.start();
- t2.start();
- t1.join();
- t2.join();
- System.out.println("run over");
- }
- @Override
- public void run(){
- method();
- }
- public void method(){
- synchronized(SynchronizedTest5.class){
- System.out.println("開始執行:" + Thread.currentThread().getName());
- try {
- // 模擬執行內容
- Thread.sleep(3000);
- }catch (Exception e){
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println("執行結束:" + Thread.currentThread().getName());
- }
- }
- }
結果:
- 開始執行:Thread-0
- 執行結束:Thread-0
- 開始執行:Thread-1
- 執行結束:Thread-1
- run over
Java知音公眾號內回復“面試題聚合”,送你一份面試題寶典
三、多線程訪問同步方法的7種情況
- 兩個線程同時訪問一個對象的相同的synchronized方法
- 兩個線程同時訪問兩個對象的相同的synchronized方法
- 兩個線程同時訪問兩個對象的相同的static的synchronized方法
- 兩個線程同時訪問同一對象的synchronized方法與非synchronized方法
- 兩個線程訪問同一對象的不同的synchronized方法
- 兩個線程同時訪問同一對象的static的synchronized方法與非static的synchronized方法
- 方法拋出異常后,會釋放鎖嗎
仔細看下面示例代碼結果輸出的結果,注意輸出時間間隔,來預測結論
場景1:
- package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
- /**
- * 兩個線程同時訪問一個對象的相同的synchronized方法
- *
- * @author JSON
- */
- public class SynchronizedScene1 implements Runnable{
- static SynchronizedScene1 ss = new SynchronizedScene1();
- public static void main(String[] args) throws Exception{
- Thread t1 = new Thread(ss);
- Thread t2 = new Thread(ss);
- t1.start();
- t2.start();
- t1.join();
- t2.join();
- System.out.println("run over");
- }
- @Override
- public void run(){
- method();
- }
- public synchronized void method(){
- System.out.println("開始執行:" + Thread.currentThread().getName());
- try {
- // 模擬執行內容
- Thread.sleep(3000);
- }catch (Exception e){
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println("執行結束:" + Thread.currentThread().getName());
- }
- }
場景2:
- package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
- /**
- * 兩個線程同時訪問兩個對象的相同的synchronized方法
- *
- * @author JSON
- */
- public class SynchronizedScene2 implements Runnable{
- static SynchronizedScene2 ss1 = new SynchronizedScene2();
- static SynchronizedScene2 ss2 = new SynchronizedScene2();
- public static void main(String[] args) throws Exception{
- Thread t1 = new Thread(ss1);
- Thread t2 = new Thread(ss2);
- t1.start();
- t2.start();
- t1.join();
- t2.join();
- System.out.println("run over");
- }
- @Override
- public void run(){
- method();
- }
- public synchronized void method(){
- System.out.println("開始執行:" + Thread.currentThread().getName());
- try {
- // 模擬執行內容
- Thread.sleep(3000);
- }catch (Exception e){
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println("執行結束:" + Thread.currentThread().getName());
- }
- }
場景3:
- package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
- /**
- * 兩個線程同時訪問兩個對象的相同的static的synchronized方法
- *
- * @author JSON
- */
- public class SynchronizedScene3 implements Runnable{
- static SynchronizedScene3 ss1 = new SynchronizedScene3();
- static SynchronizedScene3 ss2 = new SynchronizedScene3();
- public static void main(String[] args) throws Exception{
- Thread t1 = new Thread(ss1);
- Thread t2 = new Thread(ss2);
- t1.start();
- t2.start();
- t1.join();
- t2.join();
- System.out.println("run over");
- }
- @Override
- public void run(){
- method();
- }
- public synchronized static void method(){
- System.out.println("開始執行:" + Thread.currentThread().getName());
- try {
- // 模擬執行內容
- Thread.sleep(3000);
- }catch (Exception e){
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println("執行結束:" + Thread.currentThread().getName());
- }
- }
場景4:
- package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
- /**
- * 兩個線程同時訪問同一對象的synchronized方法與非synchronized方法
- *
- * @author JSON
- */
- public class SynchronizedScene4 implements Runnable{
- static SynchronizedScene4 ss1 = new SynchronizedScene4();
- public static void main(String[] args) throws Exception{
- Thread t1 = new Thread(ss1);
- Thread t2 = new Thread(ss1);
- t1.start();
- t2.start();
- t1.join();
- t2.join();
- System.out.println("run over");
- }
- @Override
- public void run(){
- // 模擬兩個線程同時訪問 synchronized方法與非synchronized方法
- if(Thread.currentThread().getName().equals("Thread-0")){
- method1();
- }else{
- method2();
- }
- }
- public void method1(){
- System.out.println("method1開始執行:" + Thread.currentThread().getName());
- try {
- // 模擬執行內容
- Thread.sleep(3000);
- }catch (Exception e){
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println("method1執行結束:" + Thread.currentThread().getName());
- }
- public synchronized void method2(){
- System.out.println("method2開始執行:" + Thread.currentThread().getName());
- try {
- // 模擬執行內容
- Thread.sleep(3000);
- }catch (Exception e){
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println("method2執行結束:" + Thread.currentThread().getName());
- }
- }
場景5:
- package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
- /**
- * 兩個線程訪問同一對象的不同的synchronized方法
- *
- * @author JSON
- */
- public class SynchronizedScene5 implements Runnable{
- static SynchronizedScene5 ss1 = new SynchronizedScene5();
- public static void main(String[] args) throws Exception{
- Thread t1 = new Thread(ss1);
- Thread t2 = new Thread(ss1);
- t1.start();
- t2.start();
- t1.join();
- t2.join();
- System.out.println("run over");
- }
- @Override
- public void run(){
- // 模擬兩個線程同時訪問不同的synchronized方法
- if(Thread.currentThread().getName().equals("Thread-0")){
- method1();
- }else{
- method2();
- }
- }
- public synchronized void method1(){
- System.out.println("method1開始執行:" + Thread.currentThread().getName());
- try {
- // 模擬執行內容
- Thread.sleep(3000);
- }catch (Exception e){
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println("method1執行結束:" + Thread.currentThread().getName());
- }
- public synchronized void method2(){
- System.out.println("method2開始執行:" + Thread.currentThread().getName());
- try {
- // 模擬執行內容
- Thread.sleep(3000);
- }catch (Exception e){
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println("method2執行結束:" + Thread.currentThread().getName());
- }
- }
場景6:
- package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
- /**
- * 兩個線程同時訪問同一對象的static的synchronized方法與非static的synchronized方法
- *
- * @author JSON
- */
- public class SynchronizedScene6 implements Runnable{
- static SynchronizedScene6 ss1 = new SynchronizedScene6();
- public static void main(String[] args) throws Exception{
- Thread t1 = new Thread(ss1);
- Thread t2 = new Thread(ss1);
- t1.start();
- t2.start();
- t1.join();
- t2.join();
- System.out.println("run over");
- }
- @Override
- public void run(){
- // 模擬兩個線程同時訪問static的synchronized方法與非static的synchronized方法
- if(Thread.currentThread().getName().equals("Thread-0")){
- method1();
- }else{
- method2();
- }
- }
- public static synchronized void method1(){
- System.out.println("method1開始執行:" + Thread.currentThread().getName());
- try {
- // 模擬執行內容
- Thread.sleep(3000);
- }catch (Exception e){
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println("method1執行結束:" + Thread.currentThread().getName());
- }
- public synchronized void method2(){
- System.out.println("method2開始執行:" + Thread.currentThread().getName());
- try {
- // 模擬執行內容
- Thread.sleep(3000);
- }catch (Exception e){
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println("method2執行結束:" + Thread.currentThread().getName());
- }
- }
場景7:
- package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
- /**
- * 方法拋出異常后,會釋放鎖嗎
- *
- * @author JSON
- */
- public class SynchronizedScene7 implements Runnable{
- static SynchronizedScene7 ss1 = new SynchronizedScene7();
- public static void main(String[] args) throws Exception{
- Thread t1 = new Thread(ss1);
- Thread t2 = new Thread(ss1);
- t1.start();
- t2.start();
- t1.join();
- t2.join();
- System.out.println("run over");
- }
- @Override
- public void run(){
- method1();
- }
- public synchronized void method1(){
- System.out.println("method1開始執行:" + Thread.currentThread().getName());
- try {
- // 模擬執行內容
- Thread.sleep(3000);
- }catch (Exception e){
- e.printStackTrace();
- }
- // 模擬異常
- throw new RuntimeException();
- //System.out.println("method1執行結束:" + Thread.currentThread().getName());
- }
- }
Java知音公眾號內回復“面試題聚合”,送你一份面試題寶典
總結:
1、兩個線程同時訪問一個對象的相同的synchronized方法
同一實例擁有同一把鎖,其他線程必然等待,順序執行
2、兩個線程同時訪問兩個對象的相同的synchronized方法
不同的實例擁有的鎖是不同的,所以不影響,并行執行
3、兩個線程同時訪問兩個對象的相同的static的synchronized方法
靜態同步方法,是類鎖,所有實例是同一把鎖,其他線程必然等待,順序執行
4、兩個線程同時訪問同一對象的synchronized方法與非synchronized方法
非synchronized方法不受影響,并行執行
5、兩個線程訪問同一對象的不同的synchronized方法
同一實例擁有同一把鎖,所以順序執行(說明:鎖的是this對象==同一把鎖)
6、兩個線程同時訪問同一對象的static的synchronized方法與非static的synchronized方法
static同步方法是類鎖,非static是對象鎖,原理上是不同的鎖,所以不受影響,并行執行
7、方法拋出異常后,會釋放鎖嗎
會自動釋放鎖,這里區別Lock,Lock需要顯示的釋放鎖
3個核心思想:
- 一把鎖只能同時被一個線程獲取,沒有拿到鎖的線程必須等待(對應1、5的情景)
- 每個實例都對應有自己的一把鎖,不同的實例之間互不影響;例外:鎖對象是*.class以及synchronized被static修飾的時候,所有對象共用同一把鎖(對應2、3、4、6情景)
- 無論是方法正常執行完畢還是方法拋出異常,都會釋放鎖(對應7情景)
補充:
問題:目前進入到被synchronized修飾的方法,這個方法里邊調用了非synchronized方法,是線程安全的嗎?
- package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
- /**
- * 目前進入到被synchronized修飾的方法,這個方法里邊調用了非synchronized方法,是線程安全的嗎?
- *
- * @author JSON
- */
- public class SynchronizedScene8 {
- public static void main(String[] args) {
- new Thread(() -> {
- method1();
- }).start();
- new Thread(() -> {
- method1();
- }).start();
- }
- public static synchronized void method1() {
- method2();
- }
- private static void method2() {
- System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "進入非Synchronized方法");
- try {
- Thread.sleep(3000);
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "結束非Synchronized方法");
- }
- }
結論:這樣是線程安全的
四、性質
1、可重入
指的是同一線程的外層函數獲取鎖之后,內層函數可以直接再次獲取該鎖
Java典型的可重入鎖:synchronized、ReentrantLock
好處:避免死鎖,提升封裝性
粒度:線程而非調用
- 情況1:證明同一方法是可重入的
- 情況2:證明可重入不要求是同一方法
- 情況3:證明可重入不要求是同一類中的
2、不可中斷
一旦這個鎖被別的線程獲取了,如果我現在想獲得,我只能選擇等待或者阻塞,直到別的線程釋放這個鎖,如果別的線程永遠不釋放鎖,那么我只能永遠的等待下去。
相比之下,Lock類可以擁有中斷的能力,第一點:如果我覺得我等待的時間太長了,有權中斷現在已經獲取到鎖的線程執行;第二點:如果我覺得我等待的時間太長了不想再等了,也可以退出。
五、原理
1、加解鎖原理(現象、時機、深入JVM看字節碼)
現象:每一個類的實例對應一把鎖,每一個synchronized方法都必須首先獲得調用該方法的類的實例的鎖,方能執行,否則就會阻塞,方法執行完成或者拋出異常,鎖被釋放,被阻塞線程才能獲取到該鎖,執行。
獲取和釋放鎖的時機:內置鎖或監視器鎖
- package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;
- import java.util.concurrent.locks.Lock;
- import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
- /**
- * method1 等價于 method2
- *
- * @author JSON
- * @date 2019-08-29
- */
- public class SynchronizedToLock1 {
- Lock lock = new ReentrantLock();
- public synchronized void method1(){
- System.out.println("執行method1");
- }
- public void method2(){
- lock.lock();
- try {
- System.out.println("執行method2");
- }catch (Exception e){
- e.printStackTrace();
- }finally {
- lock.unlock();
- }
- }
- public static void main(String[] args) {
- SynchronizedToLock1 sl = new SynchronizedToLock1();
- // method1 等價于 method2
- sl.method1();
- sl.method2();
- }
- }
深入JVM看字節碼:
- ...
- monitorenter指令
- ...
- monitorexit指令
- ...
2、可重入原理(加鎖次數計數器)
JVM負責跟蹤對象被加鎖的次數
線程第一次給對象加鎖的時候,計數變為1,每當這個相同的線程在此對象上再次獲得鎖時,計數會遞增
每當任務離開時,計數遞減,當計數為0的時候,鎖被完全釋放
3、可見性原理(內存模型)
Java內存模型
線程A向線程B發送數據的過程(JMM控制)
synchronized關鍵字實現可見性:
被synchronized修飾,那么執行完成后,對對象所做的任何修改都要在釋放鎖之前,都要從線程內存寫入到主內存,所以主內存中的數據是最新的。
六、缺陷
1、效率低
1)、鎖的釋放情況少(線程執行完成或者異常情況釋放)
2)、試圖獲得鎖時不能設定超時(只能等待)
3)、不能中斷一個正在試圖獲得鎖的線程(不能中斷)
2、不夠靈活
加鎖和釋放的時機比較單一,每個鎖僅有單一的條件(某個對象),可能是不夠的
比如:讀寫鎖更靈活
3、無法預判是否成功獲取到鎖
七、常見問題
1、synchronized關鍵字注意點:
- 鎖對象不能為空
- 作用域不宜過大
- 避免死鎖
2、如何選擇Lock和synchronized關鍵字?
總結建議(優先避免出錯的原則):
- 如果可以的話,盡量優先使用java.util.concurrent各種類(不需要考慮同步工作,不容易出錯)
- 優先使用synchronized,這樣可以減少編寫代碼的量,從而可以減少出錯率
- 若用到Lock或Condition獨有的特性,才使用Lock或Condition
八、總結
一句話總結synchronized:
JVM會自動通過使用monitor來加鎖和解鎖,保證了同一時刻只有一個線程可以執行指定的代碼,從而保證線程安全,同時具有可重入和不可中斷的特性。