synchronized 同步锁(java)实例解析

痛定思痛。 2022-06-13 14:39 261阅读 0赞

## 0 引言 ##

在多线程应用场景中，同步锁是一种非常重要的机制，例如：ID号的分配，多个客户端分别与服务端建立连接，客户端并发请求的情况下，为提升吞吐量，服务端一般采用多线程处理请求，若无同步锁机制，不同线程分配到相同ID号的情况将不可避免，而这种情况与预期相违背。

## 1.java多线程简述 ##

Java中线程的创建一般有三种形式，最常见的是继承Thread类覆写run()方法的方式，此外还有两种，这个问题并非本文关注点，这里就不做展开了，我重点介绍一下继承Thread类覆写run()方法的方式：

###  【继承Thread类，重写该类的run()方法】 ###

如以下代码所示，继承Thread类，通过重写run()方法定义了一个新的线程类MyThread，其中run()方法的方法体代表了线程需要完成的任务，称之为【线程执行体】。当创建此线程类的对象时，一个新的线程得以创建，并进入到线程【新建状态】。通过调用线程对象引用的start()方法，使得该线程进入到【就绪状态】，此时此线程并不一定会马上得以执行，这取决于CPU调度时机，这个时机并没有明显的规律，表面上看似随机，内在机理与JVM有关，java官方并未就此说明，当然，某种程度上这并不重要。

public class ThreadIntroduction {
    
    	public static void main(String[] args)
    	{
    		for(int index=0;index<3;index++)
    		{
    			MyThread temp=new MyThread();
    			temp.start();
    		}
    	}
    }
    
    class MyThread extends Thread
    {
    	@Override
    	public void run()
    	{
    		for(int i=0;i<5;i++)
    		{
    			System.out.println(Thread.currentThread().getName()+": ["+i+"]");
    		}
    	}
    }

我们看一下上面代码某一次的运行结果：

![Center][]

如上图所示，多线程场景下，线程的执行顺序(cpu调度的顺序)与程序中的客观顺序并没有直接关系，且每次运行结果都不相同，具有一定的随机性。

## 2.java 同步锁机制介绍 ##

java同步锁的关键字为：synchronized，其应用主要有两种方式：\[synchronized 方法\]和\[synchronized 块\]，顾名思义，其区别在于作用范围不同，以下分别对两种方式进行介绍，首先我们看一个例子类：

public class TestForSynchronized 
    {
    	static int ID=0;
    	//测试方法01-synchronized块(对象级)
    	public String setID_01()
    	{
    		 synchronized(this)
    		 {
    			ID++;			
    			return "setID_01() ID No.:"+ID;
    		 }			
    	}
    	
    	//测试方法02-synchronized块(类级别)
    	public String setID_02()
    	{
    		 synchronized(TestForSynchronized.class)
    		 {
    			ID++;			
    			return "setID_02() ID No.:"+ID;
    		 }		
    	}
    	
    	//测试方法03-synchronized 方法
    	public synchronized String setID_03()
    	{		
    		ID++;			
    		return "setID_03() ID No.:"+ID; 		
    	}
    	
    	//普通方法
    	public  String commonMethod()
    	{
    		return "commonMethod ID No."+ID;
    	}	
    }

如上程序所示，分别体现了synchronized块(对象级别和类级别)，synchronized方法，普通方法的定义方式，

### 2.1.synchronized 方法 ###

通过在方法的定义中加入synchronized关键字来定义synchronized方法，例如：  
public synchronized String setID()，这就是一个返回值为String类型的synchronized方法，对于一个应用了synchronized机制的类来说，以上面定义的类TestForSynchronized 为例，它的每一个实例(对象)都具有单一的锁，当通过这个(实例)对象调用它的任何synchronized方法，或者这个实例(对象)执行synchronized块的时候，这个实例(对象)就会被加锁，即：

*  在多线程场景下，对于某一个类实例(对象)tempObject,如果多个线程并发通过tempObject访问其synchronized方法或者synchronized块时，任何一个时刻只有一个线程处于可执行状态，因为同一时刻只有一个线程能够获取该实例的唯一的锁，其它线程都会被阻塞，直到synchronized方法返回或者synchronized块执行完毕，锁才会被占用的线程释放，此前被阻塞的线程才有机会获得该对象的锁；
 *  在多线程场景下，对于某一个类实例(对象)tempObject，如果一个线程获得tempObject的锁，在一个synchronized方法返回或者一个synchronized块执行完毕后，便会将锁释放，而不会继续持有锁，即使该线程接下来仍需执行该实例tempObject的其它synchronized方法或者synchronized块；

我们以具体的例子来验证一下上述介绍(类实例为上面定义的TestForSynchronized)：  
 验证<1>中论点：

public class MainClass 
    {
    
    	public static void main(String[] args) 
    	{		
    		// 创建10个线程来调用【同一个】TestForSynchronized实例(对象)
    		TestForSynchronized temp=new TestForSynchronized();		
    		for(int index=0;index<10;index++)
    		{
    			MyThread_01 thread=new MyThread_01(temp);
    			thread.start();		
    		}				
    	}
    }
    
    class MyThread_01 extends Thread
    {
    	TestForSynchronized testObject;
    	
    	public  MyThread_01(TestForSynchronized testObject)
    	{
    		this.testObject=testObject;
    	}
    	
    	@Override
    	public void run()
    	{
    		try 
    		{
    			Thread.sleep(0);
    		} catch (InterruptedException e) 
    		{
    			
    			e.printStackTrace();
    		}
    	
    		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"--"+testObject.commonMethod());	
    		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"--"+testObject.setID_01());
    	}
    }

某次运行的输出结果：

![Center 1][]

验证<2>中论点：  
 将上面验证<1>中的commonMethod换成synchronized方法setID\_03：

public class MainClass 
    {
    
    	public static void main(String[] args) 
    	{		
    		// 创建10个线程来调用【同一个】TestForSynchronized实例(对象)
    		TestForSynchronized temp=new TestForSynchronized();		
    		for(int index=0;index<10;index++)
    		{
    			MyThread_01 thread=new MyThread_01(temp);
    			thread.start();		
    		}				
    	}
    }
    
    class MyThread_01 extends Thread
    {
    	TestForSynchronized testObject;
    	
    	public  MyThread_01(TestForSynchronized testObject)
    	{
    		this.testObject=testObject;
    	}
    	
    	@Override
    	public void run()
    	{
    		try 
    		{
    			Thread.sleep(0);
    		} catch (InterruptedException e) 
    		{
    			
    			e.printStackTrace();
    		}
    		
    		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"--"+testObject.setID_01());
    		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"--"+testObject.setID_03());
    	}
    }

某次运行的输出结果：

![Center 2][]

### 2.2.synchronized 块 ###

通过上面的介绍，相信读者已经对synchronized块和synchronized方法有了一定理解，这里我们再补充介绍一下synchronized块。前已述及，synchronized块和synchronized方法，最明显的区别在于【作用域】，synchronized方法的作用域更大一些，某些场景下，作用域太大是一种缺陷，例如：对于一个很复杂，代码量比较大的方法，如果将其定义为synchronized方法，那么，由于同步锁的机制制约，多线程场景下，效率将会显得低下；如果，需要同步锁机制保障的仅仅只是一小段代码的话，完全可以采用synchronized块来解决。  
 synchronized块的定义方式：synchronized(syncObject)

synchronized(syncObject)
    {
    	//允许控制的代码块
    }

synchronized块具有以下特点：

*  synchronized块必须获得了syncObject的锁才能执行这块代码，具体获得锁的机制如前面分析；
 *  当多个线程并发访问某个实例syncObject的synchronized(this)块时，任何一个时刻只有一个线程能够持有该实例的锁，执行synchronized(this)块，其它线程将被阻塞，直到执行完毕释放锁；
 *  多线程场景下，当某个线程访问实例syncObject的synchronized(this)块时，其它线程可以访问实例syncObject的非synchronized(this)块和非synchronized方法；

### 2.3.特殊的synchronized 块（重要！！！） ###

如我们在例子类TestForSynchronized中定义的方法setID\_02()：

//测试方法02-synchronized块(类级别)
    	public String setID_02()
    	{
    		 synchronized(TestForSynchronized.class)
    		 {
    			ID++;			
    			return "setID_02() ID No.:"+ID;
    		 }		
    	}

在synchronized块中，并不是this(对象级),而是class(类级别),相较于对象级别，类级别具有更严格的同步约束，主要有以下几点：

*  前已述及，采用了synchronized机制的类，其每一个实例都有一个锁(对象级别的锁)，事实上，类也有唯一的锁，换言之，采用了synchronized机制的类有一个类锁；
 *  多线程场景下，当某一线程获得类锁(注意：不再是对象锁)，其它线程将被阻塞，将无法调用或访问该类的所有方法和域，包括静态方法和静态变量；
 *  对于含有静态方法和静态变量的代码块的同步，类锁的严格约束在多线程场景下非常实用，应用也较多。

## 3.类锁的应用实例 ##

基于在TestForSynchronized类中定义了synchronized块的方法setID\_02,运行如下代码：

public class MainClass 
    {
    
    	public static void main(String[] args) 
    	{		
    		//创建10个线程，每个线程各创建一个TestForSynchronized实例(对象)
    		for(int index=0;index<10;index++)
    		{
    			MyThread_02 thread=new MyThread_02();
    			thread.start();		
    		}
    	}
    }
    
    class MyThread_02 extends Thread
    {
    	
    	@Override
    	public void run()
    	{
    		//每个线程均创建一个TestForSynchronized实例	
    		TestForSynchronized temp=new TestForSynchronized();	
    		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"--"+temp.setID_02());
    	}
    }

某次运行的输出结果：

![Center 3][]

## 4. 互斥锁mutex ##

上面介绍的“类锁”虽然可以最大限度的避免并发场景下的冲突，但是，其过于严格：多线程场景下，当某一线程获得类锁(注意：不再是对象锁)，其它线程将被阻塞，将无法调用或访问该类的所有方法和域，包括静态方法和静态变量。

事实上，对于一个类，不可能所有属性和方法都涉及并发问题，因此，类锁过于严格的限制会极大的影响性能。鉴于此，本节介绍另外一种锁：互斥锁mutex，其定义方式如下：

public class TestForSynchronized
    {
        //定义一个静态对象
        private static Object mutex = new Object();
        //
        //省略其它属性的定义
        
        public void TestMethod()
        {
            synchronized (mutex)
            {
                //涉及并发问题的代码块
            }
        }
    }

由于mutex为静态类型，对于TestForSynchronized类的所有对象，当需要访问TestMethod的同步块时都必须获得mutex对象的锁，然而，mutex属于类，有且仅有一个锁，从而可以保证任意一个时刻只有一个线程可以访问这个同步块。

## 5.后记 ##

限于水平，难免疏漏，请看官多多指正，等到抽出时间再进行补充。

【特别说明】有任何疑问，请扫描二维码提问：

![20180516104402625][]

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