Java同步(Synchronization)

前言

線程間的通信主要通過共用對欄位的訪問和對象引用欄位的引用，可能會產生兩種錯誤，線程干擾和記憶體一致性錯誤。Java的同步就是防止這些錯誤，但當多個線程訪問同一資源會導致線程執行緩慢，甚至暫停執行。

線程干擾(Thread Interference)

例子

class Counter {
    private int c = 0;

    public void increment() {
        c++;
    }

    public void decrement() {
        c--;
    }

    public int value() {
        return c;
    }

}

如果現在有兩個線程，線程A執行increment，線程B執行decrement，它們都使用了相同的變數c，這時會發生干擾。即便是執行非常簡單的語句，但簡單語句也可以轉化為Java虛擬機的多個步驟，例如c++可以分解為三個步驟：

1、檢索c的當前值。

2、將檢索值加1。

3、將值存儲回c中。

PS：c—也可以分解為相同步驟，只是第二步是減1。

假如線程A和線程B幾乎同時調用，c的初始值為0，則它們交錯的步驟可能是以下順序：

線程A：檢索c。
線程B：檢索c。
線程A：增加檢索值;結果是1。
線程B：減少檢索值;結果是-1。
線程A：將結果存儲在c中; c現在是1。
線程B：將結果存儲在c中; c現在是-1。

線程A的結果丟失了，被線程B覆蓋了。這種交錯只是一種可能性，也可能是B的結果丟失，也可能不會出錯。也就是因為順序是不可預測的，所以線程干擾的錯誤可能難以發現和修複。

記憶體一致性錯誤

不同線程看到的記憶體中的同一份數據卻有不同的“視圖”，原因很複雜，作為程式員最需要做的是處理好“happens-before”的關係，避免問題。

同步方法

Java提供了兩種基本的同步方法：同步方法和同步語句。同步的行為是依賴鎖來構建的，每一個對象都有與之相關的固定鎖，想要獨占訪問對象的線程必須先獲取對象的鎖（拿不到阻塞線程），完成後釋放鎖，同時與請求同一鎖的線程建立一個happens-before關係。

同步方法的作用：

1、當一個線程正在執行一個對象的同步方法時，所有其他調用該對象的同步方法的線程將被阻塞，直到第一個線程執行完成。

2、當一個同步方法退出後，會自動建立與後續調用的同步方法（相同對象）的一個happens-before關係，保證所有線程對對象狀態的修改可見。

註意：

1、在構造函數中使用synchronized關鍵字是語法錯誤。同步構造函數沒有意義，因為只有創建對象的線程在構建時才能訪問它。

2、如果一個對象對多個線程可見，則通過同步方法完成對該對象變數的所有讀取或寫入操作，不然還是會出現線程干擾和記憶體一致性錯誤。

public class SynchronizedCounter {
    private int c = 0;

    public synchronized void increment() {
        c++;
    }

    public synchronized void decrement() {
        c--;
    }

    public synchronized int value() {
        return c;
    }
}

同步語句

另一種創建同步代碼的方法，與同步方法不同，同步語句必須指定提供內部鎖的對象。同步語句有利於通過細粒度同步來提高併發性。

例如，假設類MsLunch具有兩個實例欄位c1和c2，它們從不一起使用（很重要的前提條件！）。這些欄位的所有更新都必須同步，但沒有理由阻止c1的更新與c2的更新交錯，這樣做會創建不必要的阻塞來降低併發性。我們不使用同步方法，而是創建兩個對象來提供鎖。

public class MsLunch {
    private long c1 = 0;
    private long c2 = 0;
    private Object lock1 = new Object();
    private Object lock2 = new Object();

    public void inc1() {
        synchronized(lock1) {
            c1++;
        }
    }

    public void inc2() {
        synchronized(lock2) {
            c2++;
        }
    }
}

volatile關鍵字

原子操作：一個原子操作，要麼發生，要麼不發生。比如 c=0；（非long和double類型） 這個操作是執行了就會發生。再比如：c++；可分割成三個操作步驟，執行時可能會丟失某些步驟，就不是一個原子操作。非原子操作都會存線上程安全問題，同步方法和同步語句可以讓它變成一個原子操作。

volatile變數是一種稍弱的同步機制，所有聲明為volatile的變數（包括long和double），讀取和寫入都是原子的。

volatile變數特性：

1、當一個線程讀取一個volatile變數時，它看到總是最新的值。

2、原子動作不能交錯，使用volatile變數不用擔心線程干擾。

PS：java.util.concurrent包下提供了一些原子類。

參考文獻

https://docs.oracle.com/javase/tutorial/essential/concurrency/sync.html