Java並發開發-內建鎖定Synchronized的範例程式碼-java教程-PHP中文網

摘要：

在多執行緒程式設計中，執行緒安全性問題是一個最關鍵的問題，其核心概念就在於正確性，即當多個執行緒存取某一共享、可變資料時，始終不會導致資料破壞以及其他不該出現的結果。而所有的並發模式在解決這個問題時，所採用的方案都是序列化存取臨界資源。在 Java 中，提供了兩種方式來實現同步互斥存取：synchronized 和 Lock。本文針對 synchronized 內建鎖定詳細討論了其在 Java 並發中的應用，包括它的具體使用場景（同步方法、同步程式碼區塊、實例物件鎖定和 Class 物件鎖定）、可重入性和注意事項。

一. 執行緒安全問題

在單一執行緒中不會出現執行緒安全性問題，而在多執行緒程式設計中，有可能會出現同時存取同一個共享、可變資源的情況，這種資源可以是：一個變數、一個物件、一個檔案等。特別注意兩點，

共享：意味著該資源可以由多個執行緒同時存取；
可變：意味著該資源可以在其生命週期內被修改。所以，當多個執行緒同時存取這種資源的時候，就會存在一個問題：由於每個執行緒執行的過程是不可控的，所以需要採用同步機制來協同對物件可變狀態的存取。

舉個資料髒讀的例子：

//资源类
class PublicVar {

    public String username = "A";
    public String password = "AA";

    //同步实例方法
    public synchronized void setValue(String username, String password) {
        try {
            this.username = username;
            Thread.sleep(5000);
            this.password = password;

            System.out.println("method=setValue " +"\t" + "threadName="
                    + Thread.currentThread().getName() + "\t" + "username="
                    + username + ", password=" + password);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    //非同步实例方法
    public void getValue() {
        System.out.println("method=getValue " + "\t" +  "threadName="
                + Thread.currentThread().getName()+ "\t" + " username=" + username
                + ", password=" + password);
    }
}

//线程类
class ThreadA extends Thread {

    private PublicVar publicVar;

    public ThreadA(PublicVar publicVar) {
        super();
        this.publicVar = publicVar;
    }

    @Override
    public void run() {
        super.run();
        publicVar.setValue("B", "BB");
    }
}

//测试类
public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            //临界资源
            PublicVar publicVarRef = new PublicVar();

            //创建并启动线程
            ThreadA thread = new ThreadA(publicVarRef);
            thread.start();

            Thread.sleep(200);// 打印结果受此值大小影响

            //在主线程中调用
            publicVarRef.getValue();

        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}/* Output ( 数据交叉 ): 
        method=getValue     threadName=main         username=B, password=AA
        method=setValue     threadName=Thread-0     username=B, password=BB
 *///:~

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由程式輸出可知，雖然在寫入作業進行了同步，但在讀取作業上仍有可能出現一些意想不到的情況，例如上面圖的髒讀。發生髒讀的情況是執行讀取操作時，對應的資料已被其他執行緒部分修改過，導致資料交叉的現象產生。

這其實就是一個執行緒安全問題，也就是多個執行緒同時存取一個資源時，會導致程式執行結果並不是想要看到的結果。這裡面，這個資源被稱為：臨界資源。也就是說，當多個執行緒同時存取臨界資源（一個對象，對像中的屬性，一個文件，一個資料庫等）時，就可能會產生執行緒安全性問題。

不過，當多個執行緒執行一個方法時，該方法內部的局部變數並不是臨界資源，因為這些局部變數是在每個執行緒的私有堆疊中，因此不具有共享性，不會導致線程安全問題。

二. 如何解決執行緒安全問題

實際上，所有的並發模式在解決執行緒安全問題時，所採用的方案都是序列化存取臨界資源。即在同一時刻，只能有一個執行緒存取臨界資源，也稱為同步互斥存取。換句話說，就是在存取臨界資源的程式碼前面加上一個鎖，當訪問完臨界資源後釋放鎖，讓其他執行緒繼續存取。

在 Java 中，提供了兩種方式來實現同步互斥存取：synchronized 和 Lock。本文主要講述 synchronized 的使用方法，Lock 的使用方法我的另一篇博文《Java 並發：Lock 框架詳解》中闡述。

三. synchronized 同步方法或同步區塊

在了解synchronized 關鍵字的使用方法之前，我們先來看一個概念：互斥鎖，即能到達到互斥訪問目的的鎖。舉個簡單的例子，如果對臨界資源加上互斥鎖，當一個執行緒在存取該臨界資源時，其他執行緒便只能等待。

在Java 中，可以使用synchronized 關鍵字來標記一個方法或程式碼區塊，當某個執行緒呼叫該物件的synchronized方法或存取synchronized程式碼區塊時，這個執行緒便獲得了該物件的鎖，其他執行緒暫時無法存取這個方法，只有等待這個方法執行完畢或程式碼區塊執行完畢，這個執行緒才會釋放該物件的鎖，其他執行緒才能執行這個方法或程式碼區塊。

下面這段程式碼中兩個執行緒分別呼叫insertData物件插入資料：

#1) synchronized方法##

public class Test {

    public static void main(String[] args)  {
        final InsertData insertData = new InsertData();
        // 启动线程 1  
        new Thread() {
            public void run() {
                insertData.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();

        // 启动线程 2
        new Thread() {
            public void run() {
                insertData.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
    }  
}

class InsertData {

    // 共享、可变资源
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();

    //对共享可变资源的访问
    public void insert(Thread thread){
        for(int i=0;i<5;i++){
            System.out.println(thread.getName()+"在插入数据"+i);
            arrayList.add(i);
        }
    }
}/* Output: 
        Thread-0在插入数据0
        Thread-1在插入数据0
        Thread-0在插入数据1
        Thread-0在插入数据2
        Thread-1在插入数据1
        Thread-1在插入数据2
 *///:~

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#根據運行結果就可以看出，這兩個執行緒在同時執行insert()方法。而如果在insert()方法前面加上關鍵字synchronized 的話，運行結果為：

class InsertData {
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();

    public synchronized void insert(Thread thread){
        for(int i=0;i<5;i++){
            System.out.println(thread.getName()+"在插入数据"+i);
            arrayList.add(i);
        }
    }
}/* Output: 
        Thread-0在插入数据0
        Thread-0在插入数据1
        Thread-0在插入数据2
        Thread-1在插入数据0
        Thread-1在插入数据1
        Thread-1在插入数据2
 *///:~

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從以上輸出結果可以看出，Thread-1 插入資料是等Thread-0 插入完資料之後才進行的。說明 Thread-0 和 Thread-1 是依序執行 insert() 方法的。這就是 synchronized 關鍵字對方法的作用。

不過需要注意以下三點：

1）当一个线程正在访问一个对象的 synchronized 方法，那么其他线程不能访问该对象的其他 synchronized 方法。这个原因很简单，因为一个对象只有一把锁，当一个线程获取了该对象的锁之后，其他线程无法获取该对象的锁，所以无法访问该对象的其他synchronized方法。

2）当一个线程正在访问一个对象的 synchronized 方法，那么其他线程能访问该对象的非 synchronized 方法。这个原因很简单，访问非 synchronized 方法不需要获得该对象的锁，假如一个方法没用 synchronized 关键字修饰，说明它不会使用到临界资源，那么其他线程是可以访问这个方法的，

3）如果一个线程 A 需要访问对象 object1 的 synchronized 方法 fun1，另外一个线程 B 需要访问对象 object2 的 synchronized 方法 fun1，即使 object1 和 object2 是同一类型），也不会产生线程安全问题，因为他们访问的是不同的对象，所以不存在互斥问题。

2) synchronized 同步块

synchronized 代码块类似于以下这种形式：

synchronized (lock){
    //访问共享可变资源
    ...
}

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当在某个线程中执行这段代码块，该线程会获取对象lock的锁，从而使得其他线程无法同时访问该代码块。其中，lock 可以是 this，代表获取当前对象的锁，也可以是类中的一个属性，代表获取该属性的锁。特别地，实例同步方法与 synchronized(this)同步块是互斥的，因为它们锁的是同一个对象。但与 synchronized(非this)同步块是异步的，因为它们锁的是不同对象。

比如上面的insert()方法可以改成以下两种形式：

// this 监视器
class InsertData {
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();

    public void insert(Thread thread){
        synchronized (this) {
            for(int i=0;i<100;i++){
                System.out.println(thread.getName()+"在插入数据"+i);
                arrayList.add(i);
            }
        }
    }
}

// 对象监视器
class InsertData {
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
    private Object object = new Object();

    public void insert(Thread thread){
        synchronized (object) {
            for(int i=0;i<100;i++){
                System.out.println(thread.getName()+"在插入数据"+i);
                arrayList.add(i);
            }
        }
    }
}

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从上面代码可以看出，synchronized代码块比 synchronized方法的粒度更细一些，使用起来也灵活得多。因为也许一个方法中只有一部分代码只需要同步，如果此时对整个方法用synchronized进行同步，会影响程序执行效率。而使用synchronized代码块就可以避免这个问题，synchronized代码块可以实现只对需要同步的地方进行同步。

3) class 对象锁

特别地，每个类也会有一个锁，静态的 synchronized方法就是以Class对象作为锁。另外，它可以用来控制对 static 数据成员（static 数据成员不专属于任何一个对象，是类成员）的并发访问。并且，如果一个线程执行一个对象的非static synchronized 方法，另外一个线程需要执行这个对象所属类的 static synchronized 方法，也不会发生互斥现象。因为访问 static synchronized 方法占用的是类锁，而访问非 static synchronized 方法占用的是对象锁，所以不存在互斥现象。例如，

public class Test {

    public static void main(String[] args)  {
        final InsertData insertData = new InsertData();
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                insertData.insert();
            }
        }.start(); 
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                insertData.insert1();
            }
        }.start();
    }  
}

class InsertData { 

    // 非 static synchronized 方法
    public synchronized void insert(){
        System.out.println("执行insert");
        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("执行insert完毕");
    }

    // static synchronized 方法
    public synchronized static void insert1() {
        System.out.println("执行insert1");
        System.out.println("执行insert1完毕");
    }
}/* Output: 
        执行insert
        执行insert1
        执行insert1完毕
        执行insert完毕
 *///:~

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根据执行结果，我们可以看到第一个线程里面执行的是insert方法，不会导致第二个线程执行insert1方法发生阻塞现象。下面，我们看一下 synchronized 关键字到底做了什么事情，我们来反编译它的字节码看一下，下面这段代码反编译后的字节码为：

public class InsertData {
    private Object object = new Object();

    public void insert(Thread thread){
        synchronized (object) {}
    }

    public synchronized void insert1(Thread thread){}

    public void insert2(Thread thread){}
}

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Java並發開發-內建鎖定Synchronized的範例程式碼

从反编译获得的字节码可以看出，synchronized 代码块实际上多了 monitorenter 和 monitorexit 两条指令。 monitorenter指令执行时会让对象的锁计数加1，而monitorexit指令执行时会让对象的锁计数减1，其实这个与操作系统里面的PV操作很像，操作系统里面的PV操作就是用来控制多个进程对临界资源的访问。对于synchronized方法，执行中的线程识别该方法的 method_info 结构是否有 ACC_SYNCHRONIZED 标记设置，然后它自动获取对象的锁，调用方法，最后释放锁。如果有异常发生，线程自动释放锁。

有一点要注意：对于 synchronized方法或者 synchronized代码块，当出现异常时，JVM会自动释放当前线程占用的锁，因此不会由于异常导致出现死锁现象。

四. 可重入性

一般地，当某个线程请求一个由其他线程持有的锁时，发出请求的线程就会阻塞。然而，由于 Java 的内置锁是可重入的，因此如果某个线程试图获得一个已经由它自己持有的锁时，那么这个请求就会成功。可重入锁最大的作用是避免死锁。例如：

public class Test implements Runnable {

    // 可重入锁测试
    public synchronized void get() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        set();
    }

    public synchronized void set() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }

    @Override
    public void run() {
        get();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        new Thread(test,"Thread-0").start();
        new Thread(test,"Thread-1").start();
        new Thread(test,"Thread-2").start();
    }
}/* Output: 
        Thread-1
        Thread-1
        Thread-2
        Thread-2
        Thread-0
        Thread-0
 *///:~

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五. 注意事项

1). 内置锁与字符串常量

由于字符串常量池的原因，在大多数情况下，同步synchronized代码块都不使用 String 作为锁对象，而改用其他，比如 new Object() 实例化一个 Object 对象，因为它并不会被放入缓存中。看下面的例子：

//资源类
class Service {
    public void print(String stringParam) {
        try {
            synchronized (stringParam) {
                while (true) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                    Thread.sleep(1000);
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

//线程A
class ThreadA extends Thread {
    private Service service;

    public ThreadA(Service service) {
        super();
        this.service = service;
    }

    @Override
    public void run() {
        service.print("AA");
    }
}

//线程B
class ThreadB extends Thread {
    private Service service;

    public ThreadB(Service service) {
        super();
        this.service = service;
    }

    @Override
    public void run() {
        service.print("AA");
    }
}

//测试
public class Run {
    public static void main(String[] args) {

        //临界资源
        Service service = new Service();

        //创建并启动线程A
        ThreadA a = new ThreadA(service);
        a.setName("A");
        a.start();

        //创建并启动线程B
        ThreadB b = new ThreadB(service);
        b.setName("B");
        b.start();

    }
}/* Output (死锁): 
        A
        A
        A
        A
        ...
 *///:~

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出现上述结果就是因为 String 类型的参数都是 “AA”，两个线程持有相同的锁，所以线程B 始终得不到执行，造成死锁。进一步地，所谓死锁是指：

不同的线程都在等待根本不可能被释放的锁，从而导致所有的任务都无法继续完成。

b). 锁的是对象而非引用

在将任何数据类型作为同步锁时，需要注意的是，是否有多个线程将同时去竞争该锁对象：

1).若它们将同时竞争同一把锁，则这些线程之间就是同步的；
2).否则，这些线程之间就是异步的。

看下面的例子：

//资源类
class MyService {
    private String lock = "123";

    public void testMethod() {
        try {
            synchronized (lock) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " begin "
                        + System.currentTimeMillis());
                lock = "456";
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "   end "
                        + System.currentTimeMillis());
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

//线程B
class ThreadB extends Thread {

    private MyService service;

    public ThreadB(MyService service) {
        super();
        this.service = service;
    }

    @Override
    public void run() {
        service.testMethod();
    }
}

//线程A
class ThreadA extends Thread {

    private MyService service;

    public ThreadA(MyService service) {
        super();
        this.service = service;
    }

    @Override
    public void run() {
        service.testMethod();
    }
}

//测试
public class Run1 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        //临界资源
        MyService service = new MyService();

        //线程A
        ThreadA a = new ThreadA(service);
        a.setName("A");

        //线程B
        ThreadB b = new ThreadB(service);
        b.setName("B");

        a.start();
        Thread.sleep(50);// 存在50毫秒
        b.start();
    }
}/* Output(循环): 
       A begin 1484319778766
       B begin 1484319778815
       A   end 1484319780766
       B   end 1484319780815
 *///:~

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由上述结果可知，线程 A、B 是异步的。因为50毫秒过后，线程B 取得的锁对象是 “456”，而线程A 依然持有的锁对象是 “123”。所以，这两个线程是异步的。若将上述语句 “Thread.sleep(50);” 注释，则有：

//测试
public class Run1 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        //临界资源
        MyService service = new MyService();

        //线程A
        ThreadA a = new ThreadA(service);
        a.setName("A");

        //线程B
        ThreadB b = new ThreadB(service);
        b.setName("B");

        a.start();
        // Thread.sleep(50);// 存在50毫秒
        b.start();
    }
}/* Output(循环): 
       B begin 1484319952017
       B   end 1484319954018
       A begin 1484319954018
       A   end 1484319956019
 *///:~

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由上述结果可知，线程 A、B 是同步的。因为线程 A、B 竞争的是同一个锁“123”，虽然先获得运行的线程将 lock 指向了对象“456”，但结果还是同步的。因为线程 A 和 B 共同争抢的锁对象是“123”，也就是说，锁的是对象而非引用。