Synchronized关键字的用法及解析
在 java 设计中，每一个对象自打娘胎里出来就带了一把看不见的锁，即 monitor 锁。 Monitor 是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用 monitor record 列表，同时还有 一个全局可用列表。每一个被锁住对象都会和一个 monitor 关联。Monitor 中有一个 owner 字段存放拥有该对象的线程的唯一标识，表示该锁这这个线程占有。Owner：初始时为 null， 表示当前没有任何线程拥有该 monitor record，当线程成功拥有该锁后保存线程唯一标识， 当锁被释放时，又设为 null。Entry Q：关联一个系统互斥锁，阻塞 all 试图锁住 monitor entry 失败的线程。Next：用来实现重入锁的计数。 锁
Syschronized是java中的同步锁，它修饰的对象有以下几种
- 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；
- 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；
- 修饰一个静态的方法，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；
- 修饰一个类，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。
修饰一个代码块
同步代码块 使用 monitorenter 和 moniterexit 指令实现，monitorenter 指令插入到同步代码块的开始位置，moniterexit 指令插入到同步代码块的结束位置，jvm 需 要保证每一个 monitorenter 都有一个 moniterexit 与之对应。任何对象都有一个 monitor 与之 相关联，当且一个 monitor 被持有之后，他将处于锁定状态。线程执行到 monitor 指令前， 将会尝试获取对象所对应的 monitor 所有权，即尝试获取对象的锁
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。我们看下面一个例子
/**
* 同步线程
*/
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(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
public int getCount() {
return count;
}
}
SyncThread syncThread = new SyncThread();
Thread thread1 = new Thread(syncThread, "SyncThread1");
Thread thread2 = new Thread(syncThread, "SyncThread2");
thread1.start();
thread2.start();
结果：
image.png
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
我们改一下调用的主函数
image.png
结果如下：
image.png
上图的程序相当于
image.png
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
class Counter implements Runnable{
private int count;
public Counter() {
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("A")) {
countAdd();
} else if (threadName.equals("B")) {
printCount();
}
}
//调用代码
Counter counter = new Counter();
Thread thread1 = new Thread(counter, "A");
Thread thread2 = new Thread(counter, "B");
thread1.start();
thread2.start();
}
结果：
image.png
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。
指定给某个对象枷锁
/**
* 银行账户类
*/
class Account {
String name;
float amount;
public Account(String name, float amount) {
this.name = name;
this.amount = amount;
}
//存钱
public void deposit(float amt) {
amount += amt;
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//取钱
public void withdraw(float amt) {
amount -= amt;
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public float getBalance() {
return amount;
}
}
/**
* 账户操作类
*/
class AccountOperator implements Runnable{
private Account account;
public AccountOperator(Account account) {
this.account = account;
}
public void run() {
synchronized (account) {
account.deposit(500);
account.withdraw(500);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + account.getBalance());
}
}
}
//调用代码
Account account = new Account("zhang san", 10000.0f);
AccountOperator accountOperator = new AccountOperator(account);
final int THREAD_NUM = 5;
Thread threads[] = new Thread[THREAD_NUM];
for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i ++) {
threads[i] = new Thread(accountOperator, "Thread" + i);
threads[i].start();
}
结果：
image.png
在AccountOperator 类中的run方法里，我们用synchronized 给account对象加了锁。这时，当一个线程访问account对象时，其他试图访问account对象的线程将会阻塞，直到该线程访问account对象结束。也就是说谁拿到那个锁谁就可以运行它所控制的那段代码。
当有一个明确的对象作为锁时，就可以用类似下面这样的方式写程序。
public void method3(SomeObject obj)
{
//obj 锁定的对象
synchronized(obj)
{
// todo
}
}
当没有明确的对象作为锁，只是想让一段代码同步时，可以创建一个特殊的对象来充当锁：
class Test implements Runnable
{
private byte[] lock = new byte[0]; // 特殊的instance变量
public void method()
{
synchronized(lock) {
// todo 同步代码块
}
}
public void run() {
}
}
说明：零长度的byte数组对象创建起来将比任何对象都经济――查看编译后的字节码：生成零长度的byte[]对象只需3条操作码，而Object lock = new Object()则需要7行操作码。
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(){//todo}; 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【Demo1】中的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(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1：
public synchronized void method()
{
// todo
}
写法2：
public void method()
{
synchronized(this) {
// todo
}
}
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。
同步方法。依靠的 是方法修饰符上的 ACC_SYNCHRONIZED 实现。Synchronized 方法则会被翻译为普通的方法调 用和返回指令，比如 invokevirtual 指令，在 jvm 字节码层面并没有任何特别的指令来实现 synchronized 修饰的方法，而是在 class 文件的方法表中将该方法的 access_flags 字段中的 synchronized 标志位置为 1，表示该方法为 synchronized 方法，且使用调用该方法的对象 or 该方法所属的 class 在 jvm 内部对象表示作为锁对象。
在用synchronized修饰方法时要注意以下几点：
- 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(); }
}
1.在定义接口方法时不能使用synchronized关键字。
2.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。
修饰一个静态方法
public synchronized static void method() {
// todo
}
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。我们对Demo1进行一些修改如下：
/**
* 同步线程
*/
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();
}
}
//调用代码
SyncThread syncThread1 = new SyncThread();
SyncThread syncThread2 = new SyncThread();
Thread thread1 = new Thread(syncThread1, "SyncThread1");
Thread thread2 = new Thread(syncThread2, "SyncThread2");
thread1.start();
thread2.start();
结果：
image.png
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Demo1是不同的。
修饰一个类
Synchronized还可作用于一个类，用法如下：
class ClassName {
public void method() {
synchronized(ClassName.class) {
// todo
}
}
}
代码：
/**
* 同步线程
*/
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();
}
}
其效果和【Demo5】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。
总结
A. 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。
B. 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。
C. 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。
Lock与Synchronized的区别：
- Lock是一个接口，而synchronized是Java中的关键字，synchronized是内置的语言实 现；
- Synchronized采用的是CPU悲观锁机制，即线程获得的独占锁。Lock用的是乐观锁方 式，每次不加锁而是假设没有冲突，而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直 到成功为止。
- synchronized在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生；而 Lock在发生异常时，如果没有主动通过unLock()去释放锁，则很可能造成死锁现象，因 此使用Lock时需要在finally块中释放锁；
- Lock可以让等待锁的线程响应中断，而synchronized却不行，使用synchronized时，等待 的线程会一直等待下去，不能够响应中断；lock是可中断的锁，而synchronized是不可中 断锁。lock只能中断等待锁的线程，不能中断正在执行的线程。
- 通过Lock可以知道有没有成功获取锁，而synchronized却无法办到。
- 在资源竞争不是很激烈的情况下，Synchronized的性能要优于ReetrantLock，但是在资 源竞争很激烈的情况下，Synchronized的性能会下降几十倍，但是ReetrantLock的性能 能维持常态；（JDK1.6之前）
Volatile和Synchronized区别
- 粒度不同，Volatile针对变量，Synchronized针对对象和类。
- Synchronized阻塞，Volatile不阻塞。
- Synchronized保证：原子性、可见性、有序性。Volatile保证：可见性、有序性，不保证 原子性。
- volatile变量是一和更轻量级的同步机制，因为在使用这些变量时不会发生上下文切换和 线程调度等操作。
