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JAVA synchronized关键字解析原理

JAVA synchronized关键字解析原理

作者: 裘马轻狂大帅 | 来源:发表于2020-08-29 07:35 被阅读0次

    synchronized关键字可以作为函数的修饰符,也可作为函数内的语句,也就是平时说的同步方法和同步语句块。如果再细的分类,synchronized可作用于instance变量、object reference(对象引用)、static函数和class literals(类名称字面常量)身上。

    在进一步阐述之前,我们需要明确几点:

    A.无论synchronized关键字加在方法上还是对象上,它取得的锁都是对象,而不是把一段代码或函数当作锁――而且同步方法很可能还会被其他线程的对象访问。

    B.每个对象只有一个锁(lock)与之相关联。

    C.实现同步是要很大的系统开销作为代价的,甚至可能造成死锁,所以尽量避免无谓的同步控制。

    接着来讨论synchronized用到不同地方对代码产生的影响:

    假设P1、P2是同一个类的不同对象,这个类中定义了以下几种情况的同步块或同步方法,P1、P2就都可以调用它们。

    1. 把synchronized当作函数修饰符时,示例代码如下:

    Public synchronized void methodAAA()

    {

    //….

    }

    这也就是同步方法,那这时synchronized锁定的是哪个对象呢?它锁定的是调用这个同步方法对象。也就是说,当一个对象P1在不同的线程中执行这个同步方法时,它们之间会形成互斥,达到同步的效果。但是这个对象所属的Class所产生的另一对象P2却可以任意调用这个被加了synchronized关键字的方法。

    上边的示例代码等同于如下代码:

    public void methodAAA()

    {

    synchronized (this)      // (1)

    {

          //…..

    }

    }

    (1)处的this指的是什么呢?它指的就是调用这个方法的对象,如P1。可见同步方法实质是将synchronized作用于object reference。――那个拿到了P1对象锁的线程,才可以调用P1的同步方法,而对P2而言,P1这个锁与它毫不相干,程序也可能在这种情形下摆脱同步机制的控制,造成数据混乱:(

    2.同步块,示例代码如下:

              public void method3(SomeObject so)

                  {

                        synchronized(so)

    {

          //…..

    }

    }

    这时,锁就是so这个对象,谁拿到这个锁谁就可以运行它所控制的那段代码。当有一个明确的对象作为锁时,就可以这样写程序,但当没有明确的对象作为锁,只是想让一段代码同步时,可以创建一个特殊的instance变量(它得是一个对象)来充当锁:

    class Foo implements Runnable

    {

          private byte[] lock = new byte[0]; // 特殊的instance变量

        Public void methodA()

    {

          synchronized(lock) { //… }

    }

    //…..

    }

    注:零长度的byte数组对象创建起来将比任何对象都经济――查看编译后的字节码:生成零长度的byte[]对象只需3条操作码,而Object lock = new Object()则需要7行操作码。

    3.将synchronized作用于static 函数,示例代码如下:

        Class Foo

    {

    public synchronized static void methodAAA()  // 同步的static 函数

    {

    //….

    }

    public void methodBBB()

    {

          synchronized(Foo.class)  // class literal(类名称字面常量)

    }

          }

      代码中的methodBBB()方法是把class literal作为锁的情况,它和同步的static函数产生的效果是一样的,取得的锁很特别,是当前调用这个方法的对象所属的类(Class,而不再是由这个Class产生的某个具体对象了)。

    记得在《Effective Java》一书中看到过将 Foo.class和 P1.getClass()用于作同步锁还不一样,不能用P1.getClass()来达到锁这个Class的目的。P1指的是由Foo类产生的对象。

    可以推断:如果一个类中定义了一个synchronized的static函数A,也定义了一个synchronized 的instance函数B,那么这个类的同一对象Obj在多线程中分别访问A和B两个方法时,不会构成同步,因为它们的锁都不一样。A方法的锁是Obj这个对象,而B的锁是Obj所属的那个Class。

    小结如下:

    搞清楚synchronized锁定的是哪个对象,就能帮助我们设计更安全的多线程程序。

    还有一些技巧可以让我们对共享资源的同步访问更加安全:

    1.  定义private 的instance变量+它的 get方法,而不要定义public/protected的instance变量。如果将变量定义为public,对象在外界可以绕过同步方法的控制而直接取得它,并改动它。这也是JavaBean的标准实现方式之一。

    2.  如果instance变量是一个对象,如数组或ArrayList什么的,那上述方法仍然不安全,因为当外界对象通过get方法拿到这个instance对象的引用后,又将其指向另一个对象,那么这个private变量也就变了,岂不是很危险。这个时候就需要将get方法也加上synchronized同步,并且,只返回这个private对象的clone()――这样,调用端得到的就是对象副本的引用了。

    ******************

    synchronized的作用(一)

    synchronized的作用

    一、同步方法

    public synchronized void methodAAA(){

    //….

    }

    锁定的是调用这个同步方法的对象

    测试:

    a、不使用这个关键字修饰方法,两个线程调用同一个对象的这个方法。

    目标类:

    1public class TestThread {

    2    public  void execute(){  //synchronized,未修饰

    3        for(int i=0;i<100;i++){

    4              System.out.println(i);

    5          }   

    6      }

    7}

    线程类:

    1public class ThreadA implements Runnable{

    2      TestThread test=null;

    3    public ThreadA(TestThread pTest){  //对象有外部引入,这样保证是同一个对象

    4          test=pTest;

    5      }

    6    public void run() {

    7          test.execute();

    8      }

    9}

    调用:

    1TestThread test=new TestThread();

    2Runnable runabble=new ThreadA(test);

    3Thread a=new Thread(runabble,"A");               

    4a.start();

    5Thread b=new Thread(runabble,"B");

    6b.start();

    结果:

    输出的数字交错在一起。说明不是同步的,两个方法在不同的线程中是异步调用的。

    b、修改目标类,增加synchronized修饰

    1public class TestThread {

    2    public synchronized  void execute(){  //synchronized修饰

    3        for(int i=0;i<100;i++){

    4              System.out.println(i);

    5          }   

    6      }

    7}

    结果:

    输出的数字是有序的,首先输出A的数字,然后是B,说明是同步的,虽然是不同的线程,但两个方法是同步调用的。

    注意:上面虽然是两个不同的线程,但是是同一个实例对象。下面使用不同的实例对象进行测试。

    c、每个线程都有独立的TestThread对象。

    目标类:

    1public class TestThread {

    2    public synchronized void execute(){  //synchronized修饰

    3        for(int i=0;i<100;i++){

    4              System.out.println(i);

    5          }   

    6      }

    7}

    线程类:

    1public class ThreadA implements Runnable{

    2    public void run() {

    3          TestThread test=new TestThread();

    4          test.execute();

    5      }

    6}

    7

    调用:

    1Runnable runabble=new ThreadA();

    2Thread a=new Thread(runabble,"A");               

    3a.start();

    4Thread b=new Thread(runabble,"B");

    5b.start();

    结果:

    输出的数字交错在一起。说明虽然增加了synchronized 关键字来修饰方法,但是不同的线程调用各自的对象实例,两个方法仍然是异步的。

    ***********************

    synchronized的作用(二)

    引申:

    对于这种多个实例,要想实现同步即输出的数字是有序并且按线程先后顺序输出,我们可以增加一个静态变量,对它进行加锁(后面将说明锁定的对象)。

    修改目标类:

    1public class TestThread {

    2    private static Object lock=new Object(); //必须是静态的。

    3    public  void execute(){

    4        synchronized(lock){

    5            for(int i=0;i<100;i++){

    6                  System.out.println(i);

    7              }   

    8          }

    9      }

    10}

    二、同步代码块

    1public void method(SomeObject so){

    2    synchronized(so)

    3      //…..

    4      }

    5}

    锁定一个对象,其实锁定的是该对象的引用(object reference)

    谁拿到这个锁谁就可以运行它所控制的那段代码。当有一个明确的对象作为锁时,就可以按上面的代码写程序,但当没有明确的对象作为锁,只是想让一段代码同步时,可以创建一个特殊的instance变量(它必须是一个对象)来充当锁(上面的解决方法就是增加了一个状态锁)。

    a、锁定一个对象,它不是静态的

    private byte[] lock = new byte[0]; // 特殊的instance变量

    目标类:

    1public class TestThread {

    2    private Object lock=new Object();

    3    public  void execute(){

    4        synchronized(lock){  //增加了个锁,锁定了对象lock,在同一个类实例中,是线程安全的,但不同的实例还是不安全的。

    5

    6因为不同的实例有不同对象锁lock

    7            for(int i=0;i<100;i++){

    8                  System.out.println(i);

    9              }   

    10          }

    11      }

    12} 

    其实上面锁定一个方法,等同于下面的:

    1public void execute(){ 

    2    synchronized(this){  //同步的是当然对象

    3        for(int i=0;i<100;i++){

    4              System.out.println(i);

    5          }   

    6      }

    7}

    ***************************

    synchronized的作用(三)

    b、锁定一个对象或方法,它是静态的

    这样锁定,它锁定的是对象所属的类

    public synchronized    static void execute(){

          //...

    }

    等同于

    1public class TestThread {

    2    public static void execute(){

    3        synchronized(TestThread.class){

    4            //

    5          }

    6      }

    7}

    测试:

    目标类:

    1public class TestThread {

    2    private static Object lock=new Object();

    3    public synchronized static void execute(){  //同步静态方法

    4        for(int i=0;i<100;i++){

    5              System.out.println(i);

    6          }   

    7      }

    8    public static void execute1(){

    9        for(int i=0;i<100;i++){

    10              System.out.println(i);

    11          }   

    12      }

    13    public void test(){

    14          execute();    //输出是有序的,说明是同步的

    15        //execute1();  //输出是无须的,说明是异步的

    16      }

    17}

    线程类:调用不同的方法,于是建立了两个线程类

    1public class ThreadA implements Runnable{

    2    public void run() {

    3          TestThread.execute();//调用同步静态方法

    4      }

    5}

    6public class ThreadB implements Runnable{

    7    public void run() {

    8          TestThread test=new TestThread();

    9          test.test();//调用非同步非静态方法

    10      }

    11}

    调用:

    1Runnable runabbleA=new ThreadA();

    2Thread a=new Thread(runabbleA,"A");               

    3a.start();

    4Runnable runabbleB=new ThreadB();

    5Thread b=new Thread(runabbleB,"B");               

    6b.start();

    synchronized的作用(四)

    注意:

    1、用synchronized 来锁定一个对象的时候,如果这个对象在锁定代码段中被修改了,则这个锁也就消失了。看下面的实例:

    目标类:

    1public class TestThread {

    2    private static final class TestThreadHolder {

    3            private static TestThread theSingleton = new TestThread();

    4            public static TestThread getSingleton() {

    5                return theSingleton;

    6              }

    7            private TestThreadHolder() {

    8              }

    9          }

    10   

    11    private Vector ve =null;

    12    private Object lock=new Object();

    13    private TestThread(){

    14          ve=new Vector();

    15          initialize();

    16      }

    17    public static TestThread getInstance(){

    18        return TestThreadHolder.getSingleton();

    19      }

    20    private void initialize(){

    21        for(int i=0;i<100;i++){

    22              ve.add(String.valueOf(i));

    23          }

    24      }

    25    public void reload(){

    26        synchronized(lock){

    27              ve=null;           

    28              ve=new Vector();

    29                        //lock="abc";

    30            for(int i=0;i<100;i++){

    31                  ve.add(String.valueOf(i));

    32              }

    33          }

    34          System.out.println("reload end");

    35      }

    36   

    37    public boolean checkValid(String str){

    38        synchronized(lock){

    39              System.out.println(ve.size());

    40            return ve.contains(str);

    41          }

    42      }

    43}

    说明:在reload和checkValid方法中都增加了synchronized关键字,对lock对象进行加锁。在不同线程中对同一个对象实例分别调用reload和checkValid方法。

    在reload方法中,不修改lock对象即注释lock="abc"; ,结果在控制台输出reload end后才输出100。说明是同步调用的。

    如果在reload方法中修改lock对象即去掉注释,结果首先输出了一个数字(当前ve的大小),然后输出reload end。说明是异步调用的。

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