為什么需要加鎖

在多線程環(huán)境中，多個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行同一個(gè)方法時(shí)，如果其中有對(duì)某一個(gè)資源就行修改處理時(shí)，可能會(huì)存在先后操作的問題，使得邏輯不一致，程序運(yùn)行的結(jié)果不時(shí)我們想要的。

線程如何加鎖

這里只講synchronized進(jìn)行加鎖，并且只進(jìn)行使用原理的闡述，其他加鎖方式使用另外的篇幅。

加鎖是為了避免多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行邏輯處理時(shí)，可能會(huì)有數(shù)據(jù)不一致等情況從而影響程序的邏輯的準(zhǔn)確性。 所以我們可以使用一個(gè)對(duì)象，給該對(duì)象設(shè)置一個(gè)鎖狀態(tài)標(biāo)記，其他線程要進(jìn)行邏輯處理時(shí)需要把該狀態(tài)設(shè)置成功才能正常進(jìn)行，不然就阻塞掛起。 這里問題來了，如果是我們直接在代碼中添加一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志，那么多線程的情況下設(shè)置這個(gè)狀態(tài)下可能還是會(huì)有同時(shí)處理的情況。

這里我們可以依賴java提供的synchronized關(guān)鍵字。

java內(nèi)存布局和監(jiān)視器鎖

剛剛我們提到，可以給對(duì)象設(shè)置一個(gè)鎖狀態(tài)標(biāo)記，其實(shí)vjm已經(jīng)幫我們實(shí)現(xiàn)了，我們平常寫的java對(duì)象經(jīng)過編譯字節(jié)碼后，是會(huì)在內(nèi)存中添加一個(gè)額外的信息的，這里就涉及到另一個(gè)概念，java對(duì)象的內(nèi)存布局或者說java對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

當(dāng)我們通過new關(guān)鍵字來新建一個(gè)對(duì)象時(shí)，jvm會(huì)在堆內(nèi)存中開辟一塊內(nèi)存存儲(chǔ)該對(duì)象實(shí)例，對(duì)象實(shí)例除了擁有我們自己定義的一些屬性方法等，還會(huì)擁有額外的其他的信息。

分為三塊：

• 對(duì)象頭

對(duì)象頭中會(huì)存儲(chǔ)有hashcode,GC信息，鎖標(biāo)記等等。

• 實(shí)例數(shù)據(jù)

實(shí)例數(shù)據(jù)就是我們自定義的各個(gè)字段和方法信息。

• 填充對(duì)齊

簡(jiǎn)單理解為虛擬機(jī)中存儲(chǔ)一個(gè)對(duì)象約定對(duì)象大小為8字節(jié)的整數(shù)倍，所以如果不夠的話會(huì)額外占用一點(diǎn)空間湊數(shù)。

好了，簡(jiǎn)單說到這里就ok了，這里可以看到對(duì)象在實(shí)際運(yùn)行過程中擁有鎖標(biāo)記的，這里稱為監(jiān)視器鎖，實(shí)際上對(duì)象頭的鎖信息會(huì)更多，這里只是簡(jiǎn)單概括一下。在程序中通過synchronize關(guān)鍵字進(jìn)行加鎖的話，jvm會(huì)幫助我們標(biāo)記該對(duì)象是由那個(gè)線程占有了，并且保證其他線程不會(huì)再擁有，只有當(dāng)線程釋放了改對(duì)象的鎖后才可以重新進(jìn)行鎖競(jìng)爭(zhēng)。

同時(shí)synchorize關(guān)鍵詞能保證操作的對(duì)象是直接從內(nèi)存中獲取的(內(nèi)存可見性)。

使用方式如下：

public class ThreadTest {

    public static void main(String[] args) {
        Task task = new Task();

        for (int i = 0; i< 50; i++) {
            new Thread(task).run();
        }

        System.out.println(task.getCount());
    }
}

class Task implements Runnable{
    private int count;

    private Object lock = new Object();

    public int getCount() {
        return count;
    }

    public void setCount(int count) {
        this.count = count;
    }

    @Override
    public void run() {
        int total = 0;
        while (++total <= 10000) {
            synchronized (lock) {
                count++;
            }
        }
    }
}

synchronized究竟鎖了誰

synchronized關(guān)鍵字的語法規(guī)則是定義在代碼塊中或者在定義方法時(shí)。

剛剛我們提到，java對(duì)象頭中有鎖標(biāo)記，所以下面的邏輯就是對(duì)lock這個(gè)對(duì)象進(jìn)行鎖競(jìng)爭(zhēng)

while (++total <= 10000) {
    synchronized (lock) {
        count++;
    }
}

而如果我們synchronized是在方法中定義的話，則是對(duì)當(dāng)前類的實(shí)例進(jìn)行鎖競(jìng)爭(zhēng),這里就是C1的實(shí)例對(duì)象，也即是C1 c1 = new C1()中的c1;而如果程序中還有C1 c11 = new C1()的定義，那么是分開競(jìng)爭(zhēng)的。也即是同一個(gè)對(duì)象才進(jìn)行鎖競(jìng)爭(zhēng)。

class C1{
    private int count;

    public synchronized void run() {
        int total = 0;
        while (++total <= 10000) {
           count++;
        }
    }
}

如果對(duì)象的方法是static的，那么進(jìn)行鎖競(jìng)爭(zhēng)的是類對(duì)象，這個(gè)是jvm進(jìn)行class字節(jié)碼加載時(shí)生成的。

class C1{
    private int count;

    public static synchronized void run() {
        int total = 0;
        while (++total <= 10000) {
           count++;
        }
    }
}

至此，我們可以把監(jiān)視器鎖和synchronized關(guān)鍵字梳理了一遍。以上的重點(diǎn)信息是：java對(duì)象內(nèi)存布局和監(jiān)視器鎖以及synchronized關(guān)鍵字的處理邏輯。如果需要深入可以對(duì)各個(gè)點(diǎn)進(jìn)行往下研究。

線程的等待和喚醒

wait()方法

• 首先我們需要了解wait()方法的繼承體系，他是在Object對(duì)象的基類方法，也就是說所有的對(duì)象都擁有wait()方法。一個(gè)線程調(diào)用了java的wait()方法后，當(dāng)前線程會(huì)被阻塞掛起，這里的調(diào)用指的是線程里面調(diào)用了加鎖對(duì)象的wait()方法。
• 線程被阻塞掛起后是需要喚醒的，下面會(huì)講到喚醒方法，但是也可以調(diào)用重載方法wait(long timeout)，讓線程被阻塞后超過一定時(shí)間還沒被喚醒而自動(dòng)喚醒。

notify()方法

• notify()方法也是繼承于Object對(duì)象。當(dāng)某個(gè)線程調(diào)用了加鎖對(duì)象的notify方法后，會(huì)喚醒之前在該對(duì)象進(jìn)行獲取監(jiān)視器鎖時(shí)失敗而被阻塞的線程，如果有多個(gè)線程同時(shí)被阻塞，notify()方法只會(huì)有一個(gè)線程被喚醒，如果需要喚醒全部，則可以調(diào)用notifyAll()方法。

所以面試中會(huì)被問到wait和notify的作用，可以側(cè)重的知識(shí)點(diǎn)是：

• 1.調(diào)用wait之前一定是獲取到鎖的，所以要保證在synchronized塊中。
• 2.調(diào)用wait后會(huì)釋放該對(duì)象的鎖。
• 3.調(diào)用notify()方法也要是獲取鎖, 也要保證在synchronized塊中。
• 4.調(diào)用notify()方法喚醒一個(gè)線程，調(diào)用notifyAll()方法喚醒全部被阻塞線程。
• 5.調(diào)用notify()或者notifyAll()方法只是喚醒了其他被阻塞的線程，他們有了重新競(jìng)爭(zhēng)鎖的條件，但是當(dāng)前線程還沒有釋放鎖的，只有調(diào)用了wait()方法才會(huì)釋放鎖。

用一個(gè)生產(chǎn)者消費(fèi)者模型來看看wait和notify的用法。生產(chǎn)者消費(fèi)者模型可以簡(jiǎn)單理解為有一個(gè)容器，當(dāng)里面沒有數(shù)據(jù)時(shí)生產(chǎn)者會(huì)往里面添加數(shù)據(jù)，滿了則暫停當(dāng)前的工作等待消費(fèi)者消費(fèi)數(shù)據(jù)后通知他繼續(xù)添加。

消費(fèi)者會(huì)往里面拿數(shù)據(jù)，沒有了數(shù)據(jù)則暫停工作等待生產(chǎn)者生產(chǎn)了數(shù)據(jù)并通知他繼續(xù)消費(fèi)。

public static void main(String[] args) {
        Object lock = new Object();
        AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
        Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (lock) {
                    while (true) {
                        //如果隊(duì)列沒有數(shù)據(jù)，調(diào)用wait()方法，阻塞自己
                        if (queue.isEmpty()) {
                            try {
                                System.out.println("消費(fèi)者線程阻塞");
                                lock.wait();
                            } catch (InterruptedException e) {
                                e.printStackTrace();
                            }
                        }

                        //如果隊(duì)列不為空，消費(fèi)數(shù)據(jù)；如果線程被生產(chǎn)者通過notifyAll()方法喚醒后，線程重新獲取到鎖時(shí)是從這里執(zhí)行的
                        System.out.println("消費(fèi)者線程消費(fèi)數(shù)據(jù)： " + queue.poll());
                        //消費(fèi)者消費(fèi)后，喚醒可能由于之前隊(duì)列滿了而主動(dòng)阻塞自己的生產(chǎn)者
                        lock.notifyAll();

                    }

                }
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (lock) {
                    while (true) {
                        //如果隊(duì)列數(shù)據(jù)滿了，調(diào)用wait()方法，阻塞自己
                        if (queue.size() > 10) {
                            System.out.println("生產(chǎn)者線程阻塞");
                            try {
                                lock.wait();
                            } catch (InterruptedException e) {
                                e.printStackTrace();
                            }
                        }

                        //如果隊(duì)列沒有滿，生產(chǎn)數(shù)據(jù); 如果被其他線程喚醒，在下次獲取到鎖的時(shí)候生產(chǎn)數(shù)據(jù)
                        System.out.println("生產(chǎn)者線程生產(chǎn)數(shù)據(jù)");
                        queue.add(counter.incrementAndGet());

                        //隊(duì)列有數(shù)據(jù)了，喚醒之前可能沒有數(shù)據(jù)而主動(dòng)祖寺啊自己的消費(fèi)者
                        lock.notifyAll();
                    }

                }
            }
        }).start();

    }

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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