详解Java并发编程之内置锁(synchronized)

Z时代
2024-01-10
分类：综合

简介

synchronized在JDK5.0的早期版本中是重量级锁，效率很低，但从JDK6.0开始，JDK在关键字synchronized上做了大量的优化，如偏向锁、轻量级锁等，使它的效率有了很大的提升。

synchronized的作用是实现线程间的同步，当多个线程都需要访问共享代码区域时，对共享代码区域进行加锁，使得每一次只能有一个线程访问共享代码区域，从而保证线程间的安全性。

因为没有显式的加锁和解锁过程，所以称之为隐式锁，也叫作内置锁、监视器锁。

如下实例，在没有使用synchronized的情况下，多个线程访问共享代码区域时，可能会出现与预想中不同的结果。


public class Apple implements Runnable {
 private int appleCount = 5;
 @Override
 public void run() {
  eatApple();
 }
 public void eatApple(){
  appleCount--;
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "吃了一个苹果，还剩" + appleCount + "个苹果");
 }
 public static void main(String[] args) {
  Apple apple = new Apple();
  Thread t1 = new Thread(apple, "小强");
  Thread t2 = new Thread(apple, "小明");
  Thread t3 = new Thread(apple, "小花");
  Thread t4 = new Thread(apple, "小红");
  Thread t5 = new Thread(apple, "小黑");
  t1.start();
  t2.start();
  t3.start();
  t4.start();
  t5.start();
 }
}

可能会输出如下结果：

小强吃了一个苹果，还剩3个苹果
小黑吃了一个苹果，还剩3个苹果
小明吃了一个苹果，还剩2个苹果
小花吃了一个苹果，还剩1个苹果
小红吃了一个苹果，还剩0个苹果

输出结果异常的原因是eatApple方法里操作不是原子的，如当A线程完成appleCount的赋值，还没有输出，B线程获取到appleCount的最新值，并完成赋值操作，然后A和B同时输出。（A，B线程分别对应小黑、小强）

如果改下eatApple方法如下，还会不会有线程安全问题呢？


public void eatApple(){
	System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "吃了一个苹果，还剩" + --appleCount + "个苹果");
}

还是会有的，因为--appleCount不是原子操作，--appleCount可以用另外一种写法表示：appleCount = appleCount - 1，还是有可能会出现以上的异常输出结果。

synchronized的使用

synchronized分为同步方法和同步代码块两种用法，当每个线程访问同步方法或同步代码块区域时，首先需要获得对象的锁，抢到锁的线程可以继续执行，抢不到锁的线程则阻塞，等待抢到锁的线程执行完成后释放锁。

1.同步代码块

锁的对象是object：


public class Apple implements Runnable {
 private int appleCount = 5;
 private Object object = new Object();
 @Override
 public void run() {
  eatApple();
 }
 public void eatApple(){
	//同步代码块，此时锁的对象是object
  synchronized (object) {
   appleCount--;
   System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "吃了一个苹果，还剩" + appleCount + "个苹果");
  }
 }
  //...省略main方法
}

2.同步方法，修饰普通方法

锁的对象是当前类的实例对象：


public class Apple implements Runnable {
 private int appleCount = 5;
 @Override
 public void run() {
  eatApple();
 }
 public synchronized void eatApple() {
  appleCount--;
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "吃了一个苹果，还剩" + appleCount + "个苹果");
 }
 //...省略main方法
}

等价于以下同步代码块的写法：


public void eatApple() {
	synchronized (this) {
		appleCount--;
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "吃了一个苹果，还剩" + appleCount + "个苹果");
	}
}

3.同步方法，修饰静态方法

锁的对象是当前类的class对象：


public class Apple implements Runnable {
 private static int appleCount = 5;
 @Override
 public void run() {
  eatApple();
 }
 public synchronized static void eatApple() {
  appleCount--;
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "吃了一个苹果，还剩" + appleCount + "个苹果");
 }
 //...省略main方法
}

等价于以下同步代码块的写法：


public static void eatApple() {
	synchronized (Apple.class) {
		appleCount--;
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "吃了一个苹果，还剩" + appleCount + "个苹果");
	}
}

4.同步方法和同步代码块的区别

a.同步方法锁的对象是当前类的实例对象或者当前类的class对象，而同步代码块锁的对象可以是任意对象。

b.同步方法是使用synchronized修饰方法，而同步代码块是使用synchronized修饰共享代码区域。同步代码块相对于同步方法来说粒度更细，锁的区域更小，一般锁范围越小效率就越高。如下情况显然同步代码块更适用：


public static void eatApple() {
	//不需要同步的耗时操作1
	//...
	synchronized (Apple.class) {
		appleCount--;
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "吃了一个苹果，还剩" + appleCount + "个苹果");
	}
	//不需要同步的耗时操作2
	//...
}

内置锁的可重入性

内置锁的可重入性是指当某个线程试图获取一个它已经持有的锁时，它总是可以获取成功。如下：


public static void eatApple() {
	synchronized (Apple.class) {
		synchronized (Apple.class) {
			synchronized (Apple.class) {
				appleCount--;
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "吃了一个苹果，还剩" + appleCount + "个苹果");
			}
		}
	}
}

如果锁不是可重入的，那么假如某线程持有了该锁，然后又需要等待持有该锁的线程释放锁，这不就造成死锁了吗？

synchronized可以被继承吗？

synchronized不可以被继承，如果子类中重写后的方法需要实现同步，则需要手动添加synchronized关键字。


public class AppleParent {
 public synchronized void eatApple(){
 }
}
public class Apple extends AppleParent implements Runnable {
 private int appleCount = 5;
 @Override
 public void run() {
  eatApple();
 }
 @Override
 public void eatApple() {
  appleCount--;
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "吃了一个苹果，还剩" + appleCount + "个苹果");
 }
 //...省略main方法
}

基于内置锁的等待和唤醒

基于内置锁的等待和唤醒是使用Object类中的wait()和notify()或notifyAll()来实现的。这些方法的调用前提是已经持有对应的锁，所以只能在同步方法或者同步代码块里调用。如果在没有获取到对应锁的情况下调用则会抛出IllegalMonitorStateException异常。下面介绍下相关的几个方法：

wait()：使当前线程无限期地等待，直到另一个线程调用notify()或notifyAll()。

wait(long timeout)：指定一个超时时间，超时时间过后线程将会被自动唤醒。线程也可以在超时时间之前被notify()或notifyAll()唤醒。注意，wait(0)等同于调用wait()。

wait(long timeout, int nanos)：类似于wait(long timeout)，主要区别是wait(long timeout, int nanos)提供了更高的精度。

notify()：随机唤醒一个在相同锁对象上等待的线程。

notifyAll()：唤醒所有在相同锁对象上等待的线程。

一个简单的等待唤醒实例：


public class Apple {
 //苹果数量
 private int appleCount = 0;
 /**
  * 买苹果
  */
 public synchronized void getApple() {
  try {
   while (appleCount != 0) {
    wait();
   }
  } catch (InterruptedException ex) {
   ex.printStackTrace();
  }
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "买了5个苹果");
  appleCount = 5;
  notify();
 }
 /**
  * 吃苹果
  */
 public synchronized void eatApple() {
  try {
   while (appleCount == 0) {
    wait();
   }
  } catch (InterruptedException ex) {
   ex.printStackTrace();
  }
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "吃了1个苹果");
  appleCount--;
  notify();
 }
}


/**
 * 生产者，买苹果
 */
public class Producer extends Thread{
 private Apple apple;
 public Producer(Apple apple, String name){
  super(name);
  this.apple = apple;
 }
 @Override
 public void run(){
  while (true)
  apple.getApple();
 }
}
/**
 * 消费者，吃苹果
 */
public class Consumer extends Thread{
 private Apple apple;
 public Consumer(Apple apple, String name){
  super(name);
  this.apple = apple;
 }
 @Override
 public void run(){
  while (true)
  apple.eatApple();
 }
}


public class Demo {
 public static void main(String[] args) {
  Apple apple = new Apple();
  Producer producer = new Producer(apple,"小明");
  Consumer consumer = new Consumer(apple, "小红");
  producer.start();
  consumer.start();
 }
}

输出结果：