Synchronized的那些事

来源:https://www.cnblogs.com/CodeBear/archive/2018/12/24/10166821.html
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在上一篇博客中，我“蜻蜓點水”般的介紹了下Java記憶體模型，在這一篇博客，我將帶著大家看下Synchronized關鍵字的那些事，其實把Synchronized關鍵字放到上一篇博客中去介紹，也是符合 “Java記憶體模型”這個標題的，因為Synchronized關鍵字和Java記憶體模型有著密不可分的關 ...


在上一篇博客中，我“蜻蜓點水”般的介紹了下Java記憶體模型，在這一篇博客，我將帶著大家看下Synchronized關鍵字的那些事，其實把Synchronized關鍵字放到上一篇博客中去介紹，也是符合 “Java記憶體模型”這個標題的，因為Synchronized關鍵字和Java記憶體模型有著密不可分的關係。但是這樣，上一節的內容就太多了。同樣的，這一節的內容也相當多。

好了，廢話不多說，讓我們開始吧，

Synchronized基本使用

首先從一個最簡單的例子開始看：

public class Main {
    private int num = 0;
    private void test() {
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            num++;
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        Main main = new Main();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(() -> {
                main.test();
            }).start();
        }
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
            System.out.println(main.num);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

Main方法中開啟了20個線程，每個線程執行50次的累加操作，最後列印出來的應該是50*20，也就是1000，但是每次列印出來的都不是1000，而是比1000小的數字。相信這個例子，大家早就爛熟於心了，對解決方案也是手到擒來：

public class Main {
    private int num = 0;

    private synchronized void test() {
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            num++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Main main = new Main();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(() -> {
                main.test();
            }).start();
        }
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
            System.out.println(main.num);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

只要在test方法上加一個synchronized關鍵字，就OK了。

Synchronized與原子性

為什麼會出現這樣的問題呢，可能就有一小部分人不知道其中的原因了。

這和Java的記憶體模型有關係：在Java的記憶體模型中，保證併發安全的三大特性是 原子性，可見性，有序性。導致這問題出現的原因 便是 num++ 不是原子性操作，它至少有三個操作：
1.把i讀取出來
2.做自增計算
3.把值寫回i

讓我們設想有這樣的一個場景：

當num=5

  1. A線程執行到num++這一步，讀到了num的值為5（因為還沒進行自增操作）。

  2. B線程也執行到了num++這一步，讀到了num的值還是為5（因為A線程中的num還沒有來得及進行自增操作）。

  3. A線程中的num終於進行了自增操作，num為6。

  4. B線程的num也進行了自增操作，num也為6。

可能光用文字描述，還是有點懵，所以我畫了一張圖來幫助大家理解：

image.png

結合文字和圖片，應該就可以理解了。

可以看出來，雖然執行了兩次自增操作，但是實際的效果只是自增了一次。

所以在第一段代碼中，運行的結果並不是1000，而是比1000小的數字。

對於在多線程環境中，出現奇怪的結果或者情況，我們也稱為“線程不安全”。

而第二段代碼，就是通過Synchronized關鍵字，把test方法串列化執行了，也就是 A線程執行完test方法，B線程才可以執行test方法。兩個線程是互斥的。這樣就保證了線程的安全性，最後的結果就是1000。如果從Java記憶體模型的角度來說，就是保證了操作的“原子性”。

Synchronized幾種使用方法

上面的例子是Synchronized關鍵字的使用方式之一，此時，synchronized標記的是類的實例方法，鎖對象是類的實例對象。當然還有其他使用方式：

 private static synchronized void test() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(num++);
        }
    }

此時，synchronized標記的是類的靜態方法，鎖對象是類。

以上兩種，是直接標記在方法上。

還可以包裹代碼塊：

    private void test() {
        synchronized (Main.class) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(num++);
            }
        }
    }

此時鎖的對象是 類。

    private void test() {
        synchronized (this) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(num++);
            }
        }
    }

此時鎖的對象是類的實例對象。

    private Object object = new Object();

    private void test() {
        synchronized (object) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(num++);
            }
        }
    }

此時，鎖對象是Object的對象。

JConsole探究Synchronized關鍵字

我們需要用到JDK自帶的一個工具：JConsole，它位於JDK的bin目錄下。

為了讓觀察更加方便，我們需要給線程起一個名字，每個線程內sleep的時間稍微長一點：

public class Main {
    private synchronized void test() {
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(20);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Main main = new Main();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                main.test();
            }, "Hello,Thread " + i).start();
        }
    }
}

我們先啟動項目，然後打開JConsole，找到你項目的進程，就可以連接上去了。

可以看到，5個線程已經顯示在JConsole裡面了：

image.png

點擊某個線程，可以看到關於線程的一些信息：

image.png

image.png

其中四個線程都處於BLOCKED，只有一個處於TIME_WAITING，說明只有一個線程獲得了鎖，併在TIME_WAITING，其餘的線程都沒有獲得鎖，沒有進入到方法，說明瞭Synchronized的互斥性。關於線程的狀態，這篇不會深入，以後可能會介紹這方面的知識。

因為我是一邊寫博客，一邊執行各種操作的，所以速度上有些跟不上，導致截圖和描述不同，大家可以自己去試試。

javap探究Synchronized關鍵字

為了把問題簡單化，讓大家看的清楚，我只保留synchronized相關的代碼：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (Main.class) {
        }
    }
}

編譯後，用javap命令查看位元組碼文件：

javap -v Main.class

image.png

用紅圈圈出來的就是添加synchronized後帶來的命令了。執行同步代碼塊，先是調用monitorenter命令，執行完畢後，再調用monitorexit命令，為什麼會有兩個monitorexit呢，一個是正常執行辦法後的monitorexit，一個是發生異常後的monitorexit。

synchronized標記方法會是什麼情況呢？

public class Main {
    public synchronized void Hello(){
        System.out.println("Hellol");
    }
    public static void main(String[] args) {
    }
}

image.png

鎖與Monitor

JVM為每個對象都分配了一個monitor，syncrhoized就是利用monitor來實現加鎖，解鎖。同一時刻，只有一個線程可以獲得monitor，並且執行被包裹的代碼塊或者方法，其他線程只能等待monitor釋放，整個過程是互斥的。monitor擁有一個計數器，當線程獲取monitor後，計數器便會+1，釋放monitor後，計數器便會-1。那麼為什麼會是+1，-1 的操作，而不是“獲得monitor，計數器=1，釋放monitor後，計數器=0”呢？這就涉及到 鎖的重入性了。我們還是通過一段簡單的代碼來看：

public static void main(String[] args) {
        synchronized (Main.class){
            System.out.println("第一個synchronized");
            synchronized (Main.class){
                System.out.println("第二個synchronized");
            }
        }
    }

結果：
image.png

主線程獲取了類鎖，列印出 “第一個synchronized”，緊接著主線程又獲取了類鎖，列印出“第二個synchronized”。

問題來了，第一個類鎖明明還沒有釋放，下麵又獲取了這個類鎖。如果沒有“鎖的重入性”，這裡應該只會列印出 “第一個synchronized”，然後程式就死鎖了，因為它會一直等待釋放第一個類鎖，但是卻永遠等不到那一刻。

這也就是解釋了為什麼會是“當線程獲取monitor後，計數器便會+1，釋放monitor後，計數器便會-1“這樣的設計。只有當計數器=0，才代表monitor已經被釋放。第二個線程才能再次獲取monitor。

當然，鎖的重入性是針對於同一個線程來說。

Synchronized與有序性，可見性

在上一篇中，我們簡單的介紹了指令重排，知道了三大特性之一的有序性，但是介紹的太簡單。這一次，我們把上一次的內容補充下。

其實，指令重排分為兩種：

  1. 編譯器重排
  2. 運行時CPU指令排序

為什麼編譯器和CPU會做“指令重排”這個“吃力不討好”的事情呢?當然是為了效率。

指令重排會遵守兩個規則：即 self-if-serial 和 happens-before。

我們來舉一個例子：

int a=1;//1
int b=5;//2
int c=a+b;//3

這結果顯而易見：c=6。

但是這段代碼真正交給CPU去執行是按照什麼順序呢，大部分人會認為 ”從上到下"。是的，從大家開始學編程第一天就被灌輸了這個思想，但是這僅僅是一個幻覺，真正交給CPU執行，可能是 先執行第二行，然後再執行第一行，最後是第三行。因為第一行和第二行，哪一行先運行，並不影響最終的結果，但是第三行的執行順序就不能改變了，因為數據存在依懶性。如果改變了第三行的執行順序，那不亂套了。

編譯器，CPU會在不影響單線程程式最終執行的結果的情況下進行“指令重排”。

這就是“ self-if-serial”規則。

這個規則就給程式員造給一種假象，在單線程中，代碼都是從上到下執行的，殊不知，編譯器和CPU其實在背後偷偷的做了很多事情，而做這些事情的目的只有一個“提高執行的速度”。

在單線程中，我們可能並不需要關心指令重排，因為無論背後進行了多麼翻天覆地的“指令重排”都不會影響到最終的執行結果，但是self-if-serial是針對於單線程的，對於多線程，會有第二個規則：happens-before。

happens-before用來表述兩個操作之間的關係。如果A happens-before B，也就代表A發生在B之前。

由於兩個操作可能處於不同的線程，happens-before規定，如果一個線程A happens-before另外一個線程B，那麼A對B可見，正是由於這個規定，我們說Synchronized保證了線程的“可見性”。Synchronized具體是怎麼做的呢？當我們獲得鎖的時候，執行同步代碼，線程會被強制從主記憶體中讀取數據，先把主記憶體的數據複製到本地記憶體，然後在本地記憶體進行修改，在釋放鎖的時候，會把數據寫回主記憶體。

而Synchronized的同步特性，顯而易見的保證了“有序性”。

總結一下，Synchronized既可以保證“原子性”，又可以保證“可見性”，還可以保證“有序性”。

Synchronized與單例模式

Synchronized最經典的應用之一就是 懶漢式單例模式 了，如下：

public class Main {
    private static Main main;

    private Main() {
    }

    public static Main getInstance() {
        if (main != null) {
            synchronized (Main.class) {
                if (main != null) {
                    main = new Main();
                }
            }
        }
        return main;
    }
}

相信這代碼，大家已經熟悉的不能再熟悉了，但是在極端情況下，可能會產生意想不到的情況，這個時候，Synchronized的好基友Volatile就出現了，這是我們下一節中要講的內容。

Synchronized可以說是每次面試必定會出現的問題，平時在多線程開發的時候也會用到，但是真正要理解透徹，還是有不小難度。雖說Synchronized的互斥性，很影響性能，Java也提供了不少更好用的的併發工具，但是Synchronized是併發開發的基礎，所以值得花點時間去好好研究。

好了，本節的內容到這裡結束了，文章已經相當長了，但是還有一大塊東西沒有講：JDK1.6對Synchronized進行的優化，有機會，會再抽出一節的內容來講講這個。


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