深入java多线程，多线程问题及synchronized的jvm原理

阳光穿透心脏的1/2处 2022-03-10 16:53 199阅读 0赞

### 1、多线程安全新问题 ###

什么时候会出现多线程问题以及出现多线程问题的条件有哪些，下面通过一个简单的例子来看下。

假如系统中需要生成累加不重复的数字，用来设置单号或流水号，我们通过一段简单的代码来实现：

public class Thread4 {
    
    	private int num;
    	
    	private int getNext() {
    		return num++;
    	}
    	
    	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    		Thread4 t4 = new Thread4();
    		while(true) {
    			Thread.sleep(500);
    			System.out.println(t4.getNext());
    		}
    	}
    }

只用单线程来获取值，输出0开始依次递增数字，单线程下没有任何问题。

然后开启三个线程来操作：

public class Threadt3 {
    
    	private int num;
    	
    	private int getNext() {
    		return num++;
    	}
    	
    	public static void main(String[] args) {
    		
    		Threadt3 t3 = new Threadt3();
    		
    		new Thread(new Runnable() {
    			@Override
    			public void run() {
    				while (true) {
    					try {
    						Thread.sleep(500);
    					} catch (InterruptedException e) {
    						e.printStackTrace();
    					}
    					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + t3.getNext());
    				}
    			}
    		}).start();
    		
    		new Thread(new Runnable() {
    			@Override
    			public void run() {
    				while (true) {
    					try {
    						Thread.sleep(500);
    					} catch (InterruptedException e) {
    						e.printStackTrace();
    					}
    					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + t3.getNext());
    				}
    			}
    		}).start();
    		
    		new Thread(new Runnable() {
    			@Override
    			public void run() {
    				while (true) {
    					try {
    						Thread.sleep(500);
    					} catch (InterruptedException e) {
    						e.printStackTrace();
    					}
    					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：" + t3.getNext());
    				}
    			}
    		}).start();
    		
    	}
    }

看下结果：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2EyODEyNDYyNDA_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

可以看出，在多线程场景下出现了明显的问题，多个线程获取到的值是一样的，出现了值重复的现象。

出现多线程安全性问题必要条件：

1.  是处于多线程环境之下；
2.  多个线程共享一个资源，就像上述例子中的num变量；
3.  对资源进行非原子操作，读写操作等；

那怎么解决上述问题呢，只需使用synchronized关键字，使方法变为同步方法：

private int num;
    private synchronized int getNext() {
    	return num++;
    }

这样，保证了方法只能同时被一个线程访问，其余线程处于阻塞等待状态。

### 2、synchronized的使用和原理 ###

在Java中，每一个对象都拥有一个对象锁，多线程同时访问某个对象时，线程只有获取了该对象的锁才能访问这个对象。在Java中，可以使用synchronized关键字来修饰一个方法或者代码块，synchronized不能用来修饰变量，当某个线程调用该对象的synchronized方法或者访问synchronized代码块时，这个线程便获得了该对象的锁，其他线程暂时无法访问这个方法，只有等待这个方法执行完毕或者代码块执行完毕，这个线程才会释放该对象的锁，其他线程才能执行这个方法或者代码块。

synchronized的使用一，synchronized修饰方法：

private synchronized int getNext() {
    	return num++;
    }

private static synchronized int getNext() {
    	return num++;
    }

synchronized修饰方法时放在返回类型void等之前，能修饰非静态的实例方法和静态方法，修饰实例方法时锁住的是实例对象，修改静态方式时锁住的是类字节码Class对象。

synchronized的使用二，synchronized修饰代码块，修饰方法体内某一代码块：

private Integer index;
    //修饰Object对象
    private int getNext() {	
    	synchronized (index) {
    		return -1;
    	}
    }

//修饰类的实例
    private int getNext() {
    	synchronized (this) {
    		return -1;
    	}
    }

//修饰类的class对象
    private int getNext() {
    	synchronized (Threadt3.class) {
    		return -1;
    	}
    }

synchronized修饰代码块时，synchronized后括号中可接类的实例对象this、class对象、任意对象Object，锁住的也是括号中的对象。

<table>  synchronized使用分类  
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="width:91px;">修饰分类</td> 
   <td style="width:153px;">修饰对象</td> 
   <td style="width:188px;">被锁资源</td> 
   <td style="width:343px;">说明</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1" style="width:91px;">修饰方法</td> 
   <td style="width:153px;">实例方法（非静态）</td> 
   <td style="width:188px;">类的实例对象</td> 
   <td style="width:343px;"><strong>public&nbsp;synchronized int getNum(){ }</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:153px;">静态方法</td> 
   <td style="width:188px;">类的class对象（字节码）</td> 
   <td style="width:343px;"><strong>public static synchronized int getName(){ }</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td colspan="1" style="width:91px;">修饰代码块</td> 
   <td style="width:153px;">任意Object对象</td> 
   <td style="width:188px;">Object对象本身</td> 
   <td style="width:343px;"><strong>Integer n=1;&nbsp;synchronized(n){&nbsp; }</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:153px;">类的实例对象</td> 
   <td style="width:188px;">类实例对象</td> 
   <td style="width:343px;"><strong>synchronized(this){&nbsp; }</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:153px;">class对象</td> 
   <td style="width:188px;">类class对象（字节码）</td> 
   <td style="width:343px;"><strong>synchronized(Person.class){&nbsp; }</strong></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**3、synchronized的jvm实现原理解析**

我们用一个简单的同步方法，通过查看字节码方式来验证下。

同步方法：

public class Threadt5 {
    	private Integer val = 2;
    	public int getNum() {
    		synchronized (val) {
    			val ++;
    			return val;
    		}
    	}
    	public static void main(String[] args) {
    		Threadt5 t5 = new Threadt5();
    		System.out.println(t5.getNum()); 
    	}
    }

上述在getNum()方法中有个synchronized同步块，锁住的对象是val对象，我们看下getNum()方法的字节码：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2EyODEyNDYyNDA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][] 同步块字节码

（javap -verbose查看字节码）

如果把方法getNum()改为非同步：

public int getNum() {
    	val ++;
    	return val;
    }

再查看字节码：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2EyODEyNDYyNDA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][] 非同步方法字节码

对比上述两字节码可以发现，同步方法字节码比非同步的多出**monitor**对象的操作，分别是**monitorenter、monitorexit**，可见，jvm实现同步代码块的原理是基于进入和退出**monitor**对象来实现的，**monitorenter、monitorexit**是字节码指令，**monitorenter**代表进入同步代码块，**monitorexit**表示同步结束。

（在上一节中我们提到了java的每个对象，不管是Object还是类的class，都有对象锁，都具备锁信息，那么，对象的锁信息存在对象的什么地方呢？每个java对象都有对象头，锁的信息就存放在对象头中。）

那么monitor是什么呢？monitor是存在于每个java对象中，java中每个对象(Object/class)都有唯一的一个monitor，且同时只能有一个线程可以获取某个对象的monitor。任意线程对Object的访问，首先要获得Object的监视器，如果获取失败，该线程就进入同步状态，线程状态变为BLOCKED，当Object的监视器占有者释放后，在同步队列中得线程就会有机会重新获取该监视器。

monitor的概念：可以说monitor是一种机制也可以说是一个对象，操作系统为进一步优化并发问题，提出了monitor概念，操作系统本身并不支持 monitor 机制，实际上，monitor 是属于编程语言的范畴，当你想要使用 monitor 时，先了解一下语言本身是否支持 monitor 原语，例如 C 语言它就不支持 monitor，Java 语言支持 monitor，简单的说，是操作系统范畴的，在java字节码中使用monitorenter、monitorexit就能传达至操作系统。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2EyODEyNDYyNDA_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220310/79aa6c996d1e4fbebf620186e11fe377.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2EyODEyNDYyNDA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220310/9c8a02ccfb3f4ff7bfba25ea18a7a81c.png
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