Java線程中synchronized的用法與原理解析
前言
說到Java就必然會考慮到線程的問題，無論工作中學(xué)習(xí)中有沒有直接接觸過多線程開發(fā)，手寫過線程調(diào)用，在這個底層已經(jīng)到了多核多緩存的硬件時代，多線程是任何碼農(nóng)都繞不過的一個事情。只要有線程，就會有并發(fā)的現(xiàn)象，也同時會產(chǎn)生數(shù)據(jù)不一致。那么對于需要使用同一個數(shù)據(jù)的兩個線程，就會產(chǎn)生沖突，那么就引出了鎖的概念。鎖有很多種本篇會針對性的說下synchronized這個關(guān)鍵字是如何保證線程的有序進(jìn)行。
現(xiàn)實(shí)場景
能用到多線程的場景有很多，比如餐館叫號，醫(yī)院掛號，銀行辦理業(yè)務(wù)等等數(shù)不勝數(shù)。最近春運(yùn)要到了，就以買火車票為例子?，F(xiàn)在有5個人買北京站買車票，一共有三個窗口，于是5個人去車站買票。車票么一張票對應(yīng)一個座兒，誰買了誰坐，這個大家都明白。但是如果沒有任何的限制，大概會有下面幾個可能：
- 重號：有三個人同時去買北京到上海的票，于是三個售票員同時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)顯示某車廂里1號座位可以賣，于是三個售票員同時給了三個人這個車廂的1號座票，這三張一樣票誰用就成了麻煩，這就是重號。
- 錯號：有兩個人同時去買票，售票員應(yīng)該賣出北京到上海給乘客1，應(yīng)該賣出北京到成都給乘客2，于是按照這樣的{北京上海、北京成都}的順序提交了訂單到系統(tǒng)。但是付錢的時候乘客2單身久了手比較快先付了錢，結(jié)果把{北京上海}的票給買到了，沒辦法去成都了，這個就是系統(tǒng)發(fā)生了錯號。
- 跳號：跳號和錯號發(fā)生的場景差不多。網(wǎng)點(diǎn)升級現(xiàn)在有50個窗口，一共有兩百張票可以賣對應(yīng)訂單號1-200，但是有400位乘客同時去買。結(jié)果訂單號生成的順序亂七八糟，而且超過200的訂單號都有可能，這種情況發(fā)生就叫做跳號。
這種問題在日常生活中是無法容忍的，因此必須使得某些變量在整個系統(tǒng)中是唯一，并且是線程共享的，因此java中就有了關(guān)鍵字static。但是static雖然可以保證唯一性，但是無法解決上面的三個問題，尤其是并發(fā)量比較大的時候。
問題分析
這種問題是如何發(fā)生的呢？簡單來說就是前一個線程拿到數(shù)據(jù)做了修改，但是還沒有輸出就被第二個線程拿取用了。
比如下圖，本來應(yīng)該輸出101的Thread1，經(jīng)過Thread2的競爭輸出了102，這就是為什么產(chǎn)生了重號，跳號，錯號等等這些問題的原因。
總結(jié)來說多線程會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致問題。
解決問題
導(dǎo)致這個問題的根本原因在哪呢？就是number++這個操作，這個操作并不是一個原子操作。
它可以被拆分為三步：
1.讀取number；
2.number+1；
3.回寫主存。
這些步驟都走完了才會輪到輸出。所以number++和輸出應(yīng)該是一個業(yè)務(wù)邏輯內(nèi)的事情，也就是說在邏輯上應(yīng)該是具有原子性的，不可分割的。
如何對這一塊邏輯進(jìn)行封鎖呢？Java里可以使用synchronized關(guān)鍵字，當(dāng)然也可以使用lock，但是本篇的主角不是lock。
//比如我們可以把當(dāng)前對象鎖起來。
synchronized (this){
while(number<100){
System.out.println("本次的號碼是："+number++);
}
}這樣鎖起來以后，在執(zhí)行while循環(huán)的時候，就不會在允許其他線程去干擾這部分執(zhí)行，要么執(zhí)行完，要么都不執(zhí)行。當(dāng)整個while的內(nèi)容有了不可分割的屬性以后，它就具有了原子性。
根據(jù)這個邏輯，當(dāng)Thread1占有資源時，Thread2只能等待Thread1中synchronized塊里的內(nèi)容運(yùn)行完畢以后，才可以獲取資源，以此類推。
synchronized 的鎖機(jī)制
上面的解決辦法，就是利用了synchronized鎖機(jī)制去實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步的，從而保證了數(shù)據(jù)的一致性。從上面的例子來看，鎖機(jī)制大概有兩種特性：
- 排他性：也叫做互斥性、獨(dú)占性，即在同一時間只允許一個線程持有某個對象鎖，通過這種特性來實(shí)現(xiàn)多線程中的協(xié)調(diào)機(jī)制，這樣在同一時間只有一個線程對需同步的代碼塊(復(fù)合操作)進(jìn)行訪問。排他性我們也往往稱為操作的原子性。
- 可見性：必須確保在鎖被釋放之前，對共享變量所做的修改，對于隨后獲得該鎖的另一個線程是可見的（即在獲得鎖時應(yīng)獲得最新共享變量的值），否則另一個線程可能是在本地緩存的某個副本上繼續(xù)操作從而引起不一致。比如：t1修改了number為101，t2要知道number被修改了，才能對number操作繼續(xù)修改為102。
synchronized 的用法
synchronized 的用法很簡單，大概分為兩種。可以根據(jù)修飾對象分類，也可以根據(jù)獲取的鎖分類。
根據(jù)修飾對象分類：
synchronized關(guān)鍵字修飾在方法上：
*****synchronized 可以加在非靜態(tài)方法上*****
public synchronized void methodName(){
// code ......
}
*****synchronized 可以加在靜態(tài)方法上*****
public synchronized static void methodName(){
// code ......
}synchronized關(guān)鍵字修飾代碼塊：
*****synchronized 可以加在某個對象上*****
public void methodName3(){
synchronized (this){ //這里可以寫任意對象，此時是當(dāng)前對象
// code ......
}
}
//也可以是任意對象。但是這個對象必須是final的，因?yàn)椴煌木€程會創(chuàng)建不同的對象，也就會鎖住不同的變量，因此這里就會出現(xiàn)不一致問題。
private final Object object =new Object();
public void methodName4(){
synchronized (object){
// code ......
}
}
*****synchronized 可以加在某個類上*****
public void methodName5(){
synchronized (SynTest.class){
// code ......
}
}根據(jù)獲取的鎖分類：
獲取對象鎖：
//就是再說下面兩種修飾方法：
synchronized(this|object) {} //加在對象上
synchronized 修飾非靜態(tài)方法
在 Java 中，每個對象都會有一個 monitor 對象，這個對象其實(shí)就是 Java 對象的鎖，通常會被稱為“內(nèi)置鎖”或“對象鎖”。類的對象可以有多個，所以每個對象有其獨(dú)立的對象鎖，互不干擾。
但是一旦引用類型加上final就變味了，final修飾引用類型后，在對其初始化之后便不能再讓其指向其他對象了，但該引用所指向的對象的內(nèi)容是可以發(fā)生變化的。這也是為什么上面說對象必須是final的。
獲取類鎖：
//就是再說下面兩種修飾方法：
synchronized(ClassName.class) {} //加在類上
synchronized 修飾靜態(tài)方法在 Java 中，針對每個類也有一個鎖，可以稱為“類鎖”，類鎖實(shí)際上是通過對象鎖實(shí)現(xiàn)的，即類的 Class 對象鎖。當(dāng)ClassLoader把class文件加載到方法區(qū)的時候，會在堆區(qū)生產(chǎn)一個Class對象，每個類只有一個 Class 對象，因此某個類的所有對象會共享同一個Class對象。正是由于使用的是同一個Class對象，該類所有對象都會被synchronized所限制，所以每個類只有一個類鎖。
synchronized 代碼塊堆棧分析
為了明白synchronized的運(yùn)行原理，首先先看下synchronized關(guān)鍵字在運(yùn)行時的表現(xiàn)，有這么一段小程序作為測試程序。
public class SyncTest {
public void method(){
synchronized(this){
try {
TimeUnit.MINUTES.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" has started");
}
}
public static void main(String[] args) {
SyncTest test=new SyncTest();
for (int i = 0; i <5 ; i++) {
new Thread(test::method).start();
}
}
}使用cmd調(diào)出控制臺，鍵入jps命令顯示當(dāng)前運(yùn)行的java線程。
找到正在運(yùn)行的SyncTest線程id:25784，然后鍵入jstack 25784，查看線程運(yùn)行狀況。可以看到Thread-1到Thread-4都被阻塞了，只有Thread-0 處于time wait狀態(tài)，那么就是說明synchronized確實(shí)做到了排他性，一旦一個線程占用了某資源，其他線程執(zhí)行等待資源。也正是這種狀態(tài)，最終我們能夠?qū)崿F(xiàn)同步。
synchronized 代碼塊實(shí)現(xiàn)原理
synchronized到底底層是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？接下來就必須通過jvm的反編譯指令進(jìn)行一個分析，使用方法在最后附錄里。
所以我們找到SyncTest.class文件，使用javap –v SyncTest命令就可以把這個class文件的附加信息都拿出來。
那么我們從解析的反編譯文件里找到method()方法：
public void method();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=3, locals=4, args_size=1
0: aload_0
1: dup
2: astore_1
3: monitorenter ***** monitorenter互斥的入口
4: getstatic #2 // Field java/util/concurrent/TimeUnit.MINUTES:Ljava/util/concurrent/TimeUnit;
7: ldc2_w #3 // long 10l
10: invokevirtual #5 // Method java/util/concurrent/TimeUnit.sleep:(J)V
13: goto 21
16: astore_2
17: aload_2
18: invokevirtual #7 // Method java/lang/InterruptedException.printStackTrace:()V
21: getstatic #8 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
24: new #9 // class java/lang/StringBuilder
27: dup
28: invokespecial #10 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
31: invokestatic #11 // Method java/lang/Thread.currentThread:()Ljava/lang/Thread;
34: invokevirtual #12 // Method java/lang/Thread.getName:()Ljava/lang/String;
37: invokevirtual #13 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
40: ldc #14 // String has started
42: invokevirtual #13 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
45: invokevirtual #15 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
48: invokevirtual #16 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
51: aload_1
52: monitorexit ***** 一直到這里退出，可以算作互斥的出口
53: goto 61
56: astore_3
57: aload_1
58: monitorexit ***** 發(fā)現(xiàn)還有一個monitorexit，這個是異常出口，下面有解釋
59: aload_3
60: athrow
61: return從反編譯的文件結(jié)合上述我們已經(jīng)說過的鎖機(jī)制，很顯然匯編代碼中monitorenter就是互斥的入口，然后直到下面第52行執(zhí)行monitorexit退出。在此期間執(zhí)行的命令其他線程就無法操作了，這就是所謂的鎖(Lock)，所以鎖(Lock)鎖住的是什么呢？鎖住的就是從第3行到第52行之間的內(nèi)容，那么整個從monitorenter開始到monitorexit退出就是我們常說的鎖的原理。
這也解釋了為什么synchronized塊要加在一個對象上或者需要加在一個class上，因?yàn)閟ynchronized關(guān)鍵字需要和class文件也就是對象或者類相關(guān)聯(lián)，synchronized塊就是提供這樣一個monitorenter標(biāo)記給相應(yīng)的class文件，因此需要加上一個對象或者類作為標(biāo)記。
除此以外還有一個小要點(diǎn)：繼續(xù)往下走，發(fā)現(xiàn)第58行還有一個monitorexit標(biāo)記，為什么一個入口要有兩個出口呢？
因?yàn)榈谝粋€出口是正常出口，程序執(zhí)行無誤就從第52行正常退出；如果程序執(zhí)行發(fā)生異常，無法執(zhí)行到第52行的出口，就從第58行的出口退出。
synchronized 作為方法關(guān)鍵字
上面說完synchronized塊是如何做到的鎖，下面我們看看synchronized作為方法關(guān)鍵字的時候會不會還是一樣的，首先添加下面這樣一個方法到測試程序中：
public static synchronized void methodName(){
while(number<100){
System.out.println("本次的號碼是："+number++);
}
}然后如法炮制，運(yùn)行javap –v SyncTest命令。
public static synchronized void methodName();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_SYNCHRONIZED *方法標(biāo)記
Code:
stack=5, locals=0, args_size=0
0: getstatic #15 // Field number:I
3: bipush 100
5: if_icmpge 44
8: getstatic #6 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
11: new #7 // class java/lang/StringBuilder
14: dup
15: invokespecial #8 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
18: ldc #16 // String 本次的號碼是：
20: invokevirtual #11 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
23: getstatic #15 // Field number:I
26: dup
27: iconst_1
28: iadd
29: putstatic #15 // Field number:I
32: invokevirtual #17 // Method java/lang/StringBuilder.append:(I)Ljava/lang/StringBuilder;
35: invokevirtual #13 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
38: invokevirtual #14 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
41: goto 0
44: return
LineNumberTable:
line 19: 0
line 20: 8
line 22: 44
StackMapTable: number_of_entries = 2
frame_type = 0 /* same */
frame_type = 43 /* same */
發(fā)現(xiàn)這次執(zhí)行后，從上到下整個方法都沒有monitorenter這個作為入口的關(guān)鍵字。雖然沒有找到但是我們可以在方法最上面找到這樣一行標(biāo)記：flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_SYNCHRONIZED。仔細(xì)觀察這行標(biāo)記，其實(shí)就是我們寫在方法前面的修飾詞：public、 static和synchronized。其實(shí)ACC_SYNCHRONIZED就是互斥開始標(biāo)記，一旦發(fā)現(xiàn)這個標(biāo)記就表示這個方法是一個同步方法，或者叫互斥方法。當(dāng)一個線程執(zhí)行含有ACC_SYNCHRONIZED標(biāo)記的方法的時候，別的線程就無法調(diào)用這個方法。這個就是synchronized關(guān)鍵字對方法加鎖的原理。
總結(jié)
到此synchronized的基本原理和使用方法就告一段落了。本篇通過實(shí)例講解了synchronized的場景和synchronized的使用方法，通過反編譯class字節(jié)碼文件以后的輸出，分析出synchronized方法是用的ACC_SYNCHRONIZED信號作為互斥標(biāo)記，而synchronized塊則是用的monitorenter和monitorexit作為互斥標(biāo)記，兩種不同的機(jī)制去實(shí)現(xiàn)同步。但是某一塊代碼一旦被加上synchronized關(guān)鍵字以后，相當(dāng)于對其他線程鎖住了，因此synchronized算是一個相當(dāng)重量級的鎖。因此使用synchronized需要注意一些問題：
- 與moniter關(guān)聯(lián)的對象不能為空，也就是說synchronized參數(shù)不能為null。
- synchronized作用域太大，導(dǎo)致程序里有大量不必要的單線程執(zhí)行過程，而不是多線程執(zhí)行。
- 不同的monitor企圖鎖相同的方法，結(jié)果多個鎖的交叉導(dǎo)致出現(xiàn)：A線程等B線程釋放資源，B線程等A線程釋放資源的死鎖問題
正是由于有這些問題，為了提高synchronized可用性，Java官方針對synchronized關(guān)鍵字也進(jìn)行了優(yōu)化
附：如何找到并使用Java反編譯文件
首先進(jìn)入項(xiàng)目路徑的/out路徑，找到.class文件：
然后呼叫出控制臺，進(jìn)入當(dāng)前目錄：
輸入命令javap –v [字節(jié)碼名稱]打印額外信息。
javap –v 命令說明：
到此這篇關(guān)于Java線程中synchronized的用法與原理解析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)synchronized用法與原理內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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