快捷導(dǎo)航

Java之synchronized(含與ReentrantLock的區(qū)別解讀)

更新時間：2025年01月03日 10:08:13 作者：心流時間

文章主要介紹了`synchronized`和`ReentrantLock`的區(qū)別,包括它們的實現(xiàn)原理、公平性、靈活性、可中斷性等方面,同時,文章詳細解釋了`synchronized`的使用方法,包括修飾實例方法、靜態(tài)方法和代碼塊的情況,以及如何分析代碼是否互斥和可重入性

1. synchronized與ReentrantLock的區(qū)別

區(qū)別點	synchronized	ReentrantLock
是什么？	關(guān)鍵字，是 JVM 層面通過監(jiān)視器實現(xiàn)的	類，基于 AQS 實現(xiàn)的
公平鎖與否？	非公平鎖	支持公平鎖和非公平鎖，默認非公平鎖
獲取當(dāng)前線程是否上鎖	無	可以（isHeldByCurrentThread()）
條件變量	無	支持條件變量（newCondition()）
異常處理	在 synchronized 塊中發(fā)生異常，鎖會自動釋放	在 ReentrantLock 中沒有在 finally 塊中正確地調(diào)用 unlock() 方法，則可能會導(dǎo)致死鎖
靈活性1	自動加鎖和釋放鎖	手動加鎖和釋放鎖
靈活性2	無	允許嘗試去獲取鎖而不阻塞（如 tryLock 方法），并且可以指定獲取鎖等待的時間（如 tryLock(long time, TimeUnit unit)）。
可中斷性	不可中斷，除非發(fā)生了異常	允許線程中斷另一個持有鎖的線程，這樣持有鎖的線程可以選擇放棄鎖并響應(yīng)中斷。1.tryLock(long timeout, TimeUnit unit)；2.lockInterruptibly()和interrupt()配合使用
鎖的內(nèi)容	對象，鎖信息保存在對象頭中	int類型的變量來標識鎖的狀態(tài)：private volatile int state;
鎖升級過程	無鎖->偏向鎖->輕量級鎖->重量級鎖	無
使用位置	普通方法、靜態(tài)方法、代碼塊	代碼塊（方法里的代碼，初始化塊都是代碼塊）

2. synchronized的作用

在Java中，使用synchronized關(guān)鍵字可以確保任何時刻只有一個線程可以執(zhí)行特定的方法或者代碼塊。這有助于防止數(shù)據(jù)競爭條件（race conditions）和其他由于線程間共享資源而產(chǎn)生的問題。

當(dāng)一個方法或代碼塊被聲明為synchronized，它意味著在該方法或代碼塊執(zhí)行期間，其他試圖獲得相同鎖的線程將被阻塞，直到持有鎖的線程釋放該鎖。這個鎖通常是對象的一個監(jiān)視器（monitor），對于靜態(tài)方法來說是類的Class對象，對于實例方法則是擁有該方法的對象。

synchronized可以限制對共享資源的訪問，它鎖定的并不是臨界資源，而是某個對象，只有線程獲取到這個對象的鎖才能訪問臨界區(qū)，進而訪問臨界區(qū)中的資源。

保證線程安全。

當(dāng)多個線程去訪問同一個類（對象或方法）的時候，該類都能表現(xiàn)出正常的行為（與自己預(yù)想的結(jié)果一致），那我們就可以說這個類是線程安全的。

造成線程安全問題的主要誘因有兩點

存在共享數(shù)據(jù)(也稱臨界資源)
存在多條線程共同操作共享數(shù)據(jù)

當(dāng)存在多個線程操作共享數(shù)據(jù)時，需要保證同一時刻有且只有一個線程在操作共享數(shù)據(jù)，其他線程必須等到該線程處理完數(shù)據(jù)后再進行，這種方式有個高尚的名稱叫互斥鎖，即能達到互斥訪問目的的鎖，也就是說當(dāng)一個共享數(shù)據(jù)被當(dāng)前正在訪問的線程加上互斥鎖后，在同一個時刻，其他線程只能處于等待的狀態(tài)，直到當(dāng)前線程處理完畢釋放該鎖。

在 Java 中，關(guān)鍵字 synchronized可以保證在同一個時刻，只有一個線程可以執(zhí)行某個方法或者某個代碼塊(主要是對方法或者代碼塊中存在共享數(shù)據(jù)的操作)，同時我們還應(yīng)該注意到synchronized另外一個重要的作用，synchronized可保證一個線程的變化(主要是共享數(shù)據(jù)的變化)被其他線程所看到（保證可見性，完全可以替代volatile功能）。

3. synchronized的使用

下面三種本質(zhì)上都是鎖對象

3.1 修飾實例方法

作用于當(dāng)前實例，進入同步代碼前需要先獲取實例的鎖

示例代碼：

public class SynchronizedDemo2 {
    int num = 0;

    public synchronized void add() {
//    public void add() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            num++;
        }
    }
    public static class AddDemo extends Thread {
        private SynchronizedDemo2 synchronizedDemo2;

        public AddDemo(SynchronizedDemo2 synchronizedDemo2) {
            this.synchronizedDemo2 = synchronizedDemo2;
        }
        @Override
        public void run() {
            this.synchronizedDemo2.add();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    	// 要想拿到臨界資源，就必須先獲得到這個對象的鎖。
        SynchronizedDemo2 synchronizedDemo2 = new SynchronizedDemo2();
        
        AddDemo addDemo1 = new AddDemo(synchronizedDemo2);
        AddDemo addDemo2 = new AddDemo(synchronizedDemo2);
        AddDemo addDemo3 = new AddDemo(synchronizedDemo2);

        addDemo1.start();
        addDemo2.start();
        addDemo3.start();

        // 阻塞主線程
        addDemo1.join();
        addDemo2.join();
        addDemo3.join();

        // 打印結(jié)果
        System.out.println(synchronizedDemo2.num);

    }
}

打?。?/li>

期望結(jié)果：30000

無synchronized結(jié)果：23885

有synchronized結(jié)果：30000

synchronize作用于實例方法需要注意：

實例方法上加synchronized，線程安全的前提是，多個線程操作的是同一個實例，如果多個線程作用于不同的實例，那么線程安全是無法保證的
同一個實例的多個實例方法上有synchronized，這些方法都是互斥的，同一時間只允許一個線程操作同一個實例的其中的一個synchronized方法

3.2 修飾靜態(tài)方法

作用于類的Class對象，進入修飾的靜態(tài)方法前需要先獲取類的Class對象的鎖

鎖定靜態(tài)方法需要通過類.class，或者直接在靜態(tài)方法上加上關(guān)鍵字。但是，類.class不能使用this來代替。

注：在同一個類加載器中，class是單例的，這也就能保證synchronized能夠只讓一個線程訪問臨界資源。

示例代碼：

public class SynchronizedDemo1 {
    static int num = 0;

	// 加上synchronized保證線程安全
	public static synchronized void add() {
    // public static void add() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            num++;
        }
    }

    // 同上
    public static void add1() {
        synchronized (SynchronizedDemo1.class) {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                num++;
            }
        }
    }

    public static class AddDemo extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            SynchronizedDemo1.add();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AddDemo addDemo1 = new AddDemo();
        AddDemo addDemo2 = new AddDemo();
        AddDemo addDemo3 = new AddDemo();
        addDemo1.start();
        addDemo2.start();
        addDemo3.start();

        // 阻塞主線程
        addDemo1.join();
        addDemo2.join();
        addDemo3.join();

        // 打印結(jié)果
        System.out.println(SynchronizedDemo1.num);

    }
}

打?。?/li>

期望結(jié)果：30000

無synchronized結(jié)果：14207

有synchronized結(jié)果：30000

3.3 修飾代碼塊

需要指定加鎖對象(記做lockobj)，在進入同步代碼塊前需要先獲取lockobj的鎖

若是this，相當(dāng)于修飾實例方法

示例代碼：

public class SynchronizedDemo3 {

    private static Object lockobj = new Object();
    private static int num = 0;

    public static void add() {
        synchronized (lockobj) {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                num++;
            }
        }
    }

    public static class AddDemo extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            SynchronizedDemo3.add();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AddDemo addDemo1 = new AddDemo();
        AddDemo addDemo2 = new AddDemo();
        AddDemo addDemo3 = new AddDemo();
        addDemo1.start();
        addDemo2.start();
        addDemo3.start();

        // 阻塞主線程
        addDemo1.join();
        addDemo2.join();
        addDemo3.join();

        // 打印結(jié)果
        System.out.println(SynchronizedDemo3.num);

    }
}

打印：

期望結(jié)果：30000

無synchronized結(jié)果：28278

有synchronized結(jié)果：> 示例代碼：

4. 分析代碼是否互斥

分析代碼是否互斥的方法，先找出synchronized作用的對象是誰，如果多個線程操作的方法中synchronized作用的鎖對象一樣，那么這些線程同時異步執(zhí)行這些方法就是互斥的。

示例代碼：

public class SynchronizedDemo4 {
    // 作用于當(dāng)前類的實例對象
    public synchronized void m1() {
    }

    // 作用于當(dāng)前類的實例對象
    public synchronized void m2() {
    }

    // 作用于當(dāng)前類的實例對象
    public void m3() {
        synchronized (this) {
        }
    }

    // 作用于當(dāng)前類Class對象
    public static synchronized void m4() {
    }

    // 作用于當(dāng)前類Class對象
    public static void m5() {
        synchronized (SynchronizedDemo4.class) {
        }
    }

    public static class T extends Thread {
        SynchronizedDemo4 demo;

        public T(SynchronizedDemo4 demo) {
            this.demo = demo;
        }

        @Override
        public void run() {
            super.run();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedDemo4 d1 = new SynchronizedDemo4();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            d1.m1();
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            d1.m2();
        });
        
        Thread t3 = new Thread(() -> {
            d1.m3();
        });
        
        SynchronizedDemo4 d2 = new SynchronizedDemo4();
        Thread t4 = new Thread(() -> {
            d2.m2();
        });
        
        Thread t5 = new Thread(() -> {
            SynchronizedDemo4.m4();
        });
        
        Thread t6 = new Thread(() -> {
            SynchronizedDemo4.m5();
        });
        
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t4.start();
        t5.start();
        t6.start();
    }
}

結(jié)論：

線程t1、t2、t3中調(diào)用的方法都需要獲取d1的鎖，所以他們是互斥的
t1/t2/t3這3個線程和t4不互斥，他們可以同時運行，因為前面三個線程依賴于d1的鎖，t4依賴于d2的鎖
t5、t6都作用于當(dāng)前類的Class對象鎖，所以這兩個線程是互斥的，和其他幾個線程不互斥

5. synchronized的可重入性

示例代碼：

public class SynchronizedDemo5 {
    synchronized void method1() {
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        method2();
        System.out.println("method1 thread-" + Thread.currentThread().getName() + " end");
    }

    synchronized void method2() {
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        System.out.println("method2 thread-" + Thread.currentThread().getName() + " end");
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedDemo5 t5 = new SynchronizedDemo5();
        new Thread(t5::method1, "1").start();
        new Thread(t5::method1, "2").start();
        new Thread(t5::method1, "3").start();
    }
}

打?。?/li>

method2 thread-1 end

method1 thread-1 end

method2 thread-3 end

method1 thread-3 end

method2 thread-2 end

method1 thread-2 end

結(jié)論：

當(dāng)線程啟動的時候，已經(jīng)獲取了對象的鎖，等method1調(diào)用method2方法的時候，同樣是拿到了這個對象的鎖。所以synchronized是可重入的。

6. 發(fā)生異常synchronized會釋放鎖

示例代碼：

public class SynchronizedDemo6 {
    int num = 0;
    synchronized void add() {
        System.out.println("thread" + Thread.currentThread().getName() + " start");
        while (num <= 7) {
            num++;
            System.out.println("thread" + Thread.currentThread().getName() + ", num is " + num);
            if (num == 3) {
                throw new NullPointerException();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedDemo6 synchronizedDemo6 = new SynchronizedDemo6();
        new Thread(synchronizedDemo6::add, "1").start();
        Thread.sleep(1000);
        new Thread(synchronizedDemo6::add, "2").start();
    }
}

打?。?/p>

thread1 start
thread1, num is 1
thread1, num is 2
thread1, num is 3
Exception in thread “1” java.lang.NullPointerException
at com.xin.demo.threaddemo.lockdemo.synchronizeddemo.SynchronizedDemo6.add(SynchronizedDemo6.java:14)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
thread2 start
thread2, num is 4
thread2, num is 5
thread2, num is 6
thread2, num is 7
thread2, num is 8

結(jié)論：

發(fā)生異常synchronized會釋放鎖

7. synchronized的實現(xiàn)原理與應(yīng)用（包含鎖的升級過程）

我的另一篇讀書筆記：Java并發(fā)機制的底層實現(xiàn)原理

鎖的升級過程：無鎖->偏向鎖->輕量級鎖->重量級鎖，詳細情況還是看上面這篇文章

無鎖
偏向鎖：在鎖對象的對象頭中記錄一下當(dāng)前獲取到該鎖的線程ID，該線程下次如果又來獲取該鎖就可以直接獲取到了，也就是支持鎖重入
輕量級鎖：當(dāng)兩個或以上線程交替獲取鎖，但并沒有在對象上并發(fā)的獲取鎖時，偏向鎖升級為輕量級鎖。在此階段，線程采取CAS的自旋方式嘗試獲取鎖，避免阻塞線程造成的CPU在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)間轉(zhuǎn)換的消耗。輕量級鎖時，CPU是用戶態(tài)。
重量級鎖：兩個或以上線程并發(fā)的在同一個對象上進行同步時，為了避免無用自旋消耗CPU，輕量級鎖會升級成重量級鎖。重量級鎖時，CPU是內(nèi)核態(tài)。