synchronized锁

一、线程安全的概念与synchronized

1、线程安全概念

并发程序开发的一大关注重点就是线程安全,线程安全就是并行程序的根本和根基。使用volatile关键字只能确保一个线程修改数据后,其他线程能够看到这个改动。但是两个线程同时修改某一个数据时,却依然会产生冲突。

下面AccountingVol.java模拟了一个计数器,创建两个线程同时对i进行累加操作,各执行10000000次,我们希望的执行结果时i的值最终可以达到20000000,但是事实并非如此。多次执行代码会发现,有时候i的最终值会小于20000000。这就是因为两个线程同时对i写入时,其中一个线程的结果会覆盖另一个线程的结果(虽然这个时候i被声明为volatile变量)

public class AccountingVol implements Runnable
{
    static AccountingVol instance = new AccountingVol();

    static  volatile int i = 0;

    public static void increase()
    {
        ++i;
    }

    @Override
    public void run()
    {
        for (int j = 0; j < 10000000; ++j)
        {
            increase();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
        Thread t1 = new Thread(instance);
        Thread t2 = new Thread(instance);

            t1.start();
            t2.start();
            t1.join();
            t2.join();
            System.out.println(i);
    }
}

多次执行代码会发现,有时候i的最终值会小于20000000。


image.png

之所以会出现这种情况,是因为出现了下图的冲突。线程t1和线程t2读取i为0,并各自计算得到i=1,最后各自写入这个结果。虽然++i被执行了2次,但实际i的值只增加了1.


image.png

2、synchronized关键字

要从根本上解决上述问题,就必须保证多个线程在对i进行操作时完全同步。也就是说,当线程A在写入时,线程B不仅不能写,同时也不能读。因为在线程A写完之前,线程B读取的一定是一个过期的数据。Java中提供了一个重要的关键字synchronized来实现这个功能。

关键字synchronized的用法:
(1)指定加锁对象:对给定的对象加锁,进入同步代码块前要获得给定对象的锁。
(2)直接作用与实例方法:相当于对当前实例加锁,进入实例方法前需要获得当前实例的锁。
(3)直接作用于静态方法:相当于对当前类加锁,进入类方法前需要获得当前类的锁

下面AccountingVol2.java通过指定加锁对象instance,实现AccountingVol.java的线程安全。多次执行代码会发现,最终值会都等于20000000,说明保证了线程安全。

public class AccountingVol2 implements Runnable
{
    static AccountingVol2 instance = new AccountingVol2();

    static  volatile int i = 0;

    @Override
    public void run()
    {
        for (int j = 0; j < 10000000; ++j)
        {
           synchronized (instance)
           {
               ++i;
           }
        }
    }

//main函数参见AccountingVol.java中的main函数

下面AccountingVol3.java通过直接作用于实例方法,实现AccountingVol.java的线程安全。多次执行代码会发现,最终值会都等于20000000,说明保证了线程安全。

public class AccountingVol3 implements Runnable
{
    static AccountingVol3 instance = new AccountingVol3();

    static  volatile int i = 0;

    public synchronized void increase()
    {
        ++i;
    }

    @Override
    public void run()
    {
        for (int j = 0; j < 10000000; ++j)
        {
            increase();
        }
    }
//main函数参见AccountingVol.java中的main函数

下面的AccountingSyncBad.java给出了一种错误的同步方式。虽然在第三行声明increase()方法是一个同步方法,但是执行这段代码的两个线程都指向了不同的Runnnable实例,即这两个线程的Runnable实例并不是同一个对象。因此,线程t1会在进入同步方法前加锁自己的Runnable实例,而线程t2也关注自己的对象锁。换言之,这两个线程使用的是两把不同的锁。因此,无法保证线程安全。

public class AccountingSyncBad implements Runnable
{
    static int i = 0;

    public synchronized void increase()
    {
        ++i;
    }

    @Override
    public void run()
    {
        for (int j = 0; j < 10000000; ++j)
        {
            increase();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
        Thread t1 = new Thread(new AccountingSyncBad());
        Thread t2 = new Thread(new AccountingSyncBad());
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

针对AccountingSyncBad.java中的问题,只需要简单的修改上述代码,就能使其正确执行。那就是使用synchronized的第三种方法,将其作用于静态方法。这样,即使两个线程指向不同的Runnable对象,但由于方法块需要的是当前类的锁,而非当前实例,因此线程还是可以正确同步的。将increase()方法修改如下:

public synchronized static void increase()
{
     ++i;
}

除了用于线程同步、确保线程安全外,synchronized还可以保证线程的可见性和有序性。
(1)从可见性的角度讲,synchronized可以完全替代volatile的功能,只是使用上没有那么方便。
(2)从有序性的角度来讲,由于synchronized限制每次只有一个线程可以访问同步块,因此无论同步块内的代码如何被乱序执行,只要保证串行语义一致,那么执行结果总是一样的。而其他访问的线程,又必须在获得锁后方能进入代码块读取数据,因此,他们看到的结果并不取决于代码的执行过程,从而有序性得到了解决(换言之,被synchronized限制的多个线程是串行执行的)。

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