【并发编程八：线程安全问题分析及锁synchronized的介绍（1）】

灰太狼 2023-10-09 14:09 9阅读 0赞

**【衔接上一章 [【并发编程七：Java中的线程池（4）-线程池规范、监控、关闭】][Java_4_-]】**

#### 学习路线 ####

*   *  2.1什么是线程安全？
     *  2.2线程不安全原因剖析
     *  2.2.1原子性
     *  2.2.2线程上下文切换
     *  2.3synchronized解决线程安全
     *  2.4synchronized同步锁的使用
     *   *  2.4.1synchronized使用语法
         *  2.4.2synchronized同步锁分类
         *  2.4.3对象锁
         *   *  1、两个线程同时访问同一个对象的同步方法，会互斥；
             *  2、两个线程同时访问同一个对象的同步方法和非同步方法，不互斥；
             *  3、两个线程同时访问两个对象的同步方法，不互斥；
             *  4、两个线程同时访问两个对象的同步方法和非同步方法，不互斥；
         *  2.4.4类锁
         *   *  1、两个线程同时访问同一个类的静态同步方法，会互斥；
             *  2、两个线程同时访问不同类的静态同步方法，不互斥；
             *  3、两个线程同时访问同一个类的静态同步方法和静态非同步方法，不互斥；
             *  4、两个线程同时访问同一个类的静态同步方法和非静态同步方法，不互斥；
     *  2.5synchronized底层实现原理剖析
     *   *  2.5.1JVM堆内存中的对象布局？
         *   *  对象头(Header)：
             *  实例数据(Instance Data)：
             *  对齐填充(Padding)：
         *  2.5.2JOL查看Java对象内存布局

### 2.1什么是线程安全？ ###

*  白话一点，线程安全是指多个线程同时运行的时候，会不会产生预期之外的结果？比如我要对i=0的变量进行+1操作，1个线程执行的时候，结果是1，两个线程执行的时候，结果应该是2，但是结果却是1，那就产生了线程安全问题；
 *  产生线程安全问题是因为多个线程访问内存中的共享资源，从而产生了冲突、产生了脏数据、产生了意外的结果；
 *  所谓共享资源就是多个线程都可以访问的资源；  
    ![在这里插入图片描述][3fad68bc2e284b94b5920e9ae67e6400.png]
 *  Java代码运行在jvm中，jvm的公共内存是堆、元空间（方法区），同一个jvm进程都能访问这个公共内存，正因为这块内存是大家都可以访问的，是公共的，这样就会导致内存不安全的问题；
 *  所以线程安全指的是，**在共享内存中的公共数据由于可以被任何线程访问到，在没有限制的情况下存在被意外修改的风险**；
 *  所以对于像堆、元空间（方法区）这种公共区域，多个线程去操作时，是存在安全问题的；
 *  但是注意：**如果多个线程都只是读取共享资源而不去修改，那就不会存在线程安全，只有当至少有一个线程修改了共享资源时才会存在线程安全**；

### 2.2线程不安全原因剖析 ###

导致线程不安全的底层核心原因主要有三个：

*  1、原子性
 *  2、有序性
 *  3、可见性

### 2.2.1原子性 ###

*  我们经常听到数据库中事务的原子性，数据库事务的原子性是指一组对数据库的操作，要么最终全部成功执行，要么最终全部回滚；
 *  多线程并发编程的原子性是指一组指令被执行时，不受其他指令的干扰，比如我们说CAS（Compare & Set）是原子的，java.util.concurrent.atomic下的原子操作类等，这里的原子性其实指的是隔离性，也就是一组操作不能被别的线程干扰；

### 2.2.2线程上下文切换 ###

*  1、使用多线程的目的是为了充分利用多核CPU；
 *  2、当创建很多线程，CPU不够用了，此时就是一个CPU来应付多个线程；
 *  3、操作系统采用时间片切换的方式把每个线程分配给CPU去执行，线程在时间片内占用 CPU 执行任务，当线程使用完时间片后，就会处于就绪状态并让出 CPU从而让其它线程去使用，这就是上下文切换；

![在这里插入图片描述][3126c5bc5c554e16ac8b9d9fa69275c7.png]  
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### 2.3synchronized解决线程安全 ###

*  前面分析的线程安全问题可以采用synchronized来解决；
 *  synchronized是 Java 中的一个关键字，它的使用就是在代码上加一个- - -synchronized关键字即可；
 *  synchronized是Java的内置锁；
 *  这把锁我们看不见，所以也被称为内部锁或监视器锁，它的作用就是在同一时刻只有一个线程能进入synchronized代码块；
 *  **加锁**：线程在进入 synchronized 代码块前会自动获取内部锁，此时其它线程访问该同步代码块时会被阻塞挂起；
 *  **解锁**：拿到内部锁的线程在正常退出代码块、抛出异常后、在同步代码块内调用了该内置锁资源的wait系列方法时 释放该内置锁；  
    synchronized内置锁是排它锁，因为当一个线程获取这个锁后，其他线程必须等待该线程释放锁后才能获取该锁；

### 2.4synchronized同步锁的使用 ###

#### 2.4.1synchronized使用语法 ####

*  （1）作用在方法上；

- 修饰非静态方法（普通方法）
     - 修饰静态方法

*  （2）作用在代码块上；（粒度更细，更加灵活）
    
     *  synchronized(this|object) \{…\}
     *  synchronized(类.class) \{…\}

/**
     * synchronized关键字使用语法
     * 1、方法上
     * 2、代码块上
     *
     */
    public class Test00 {
        
    
        public static void main(String[] args) {
        
            Test00 test00 = new Test00();
            test00.test1();
            test00.test2();
        }
    
        public synchronized void test1() {
        
            System.out.println("test1......");
        }
    
        public void test2() {
        
            synchronized(this) {
        
                System.out.println("test2......");
            }
        }
    }

#### 2.4.2synchronized同步锁分类 ####

（1）对象锁；

/**
     * 两个线程同时访问同一个对象的同步方法，会互斥；
     *
     */
    public class Test01 {
        
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            Test01 test01 = new Test01();
    
            new Thread(() -> test01.eat(), "t1").start();
            new Thread(() -> test01.eat(), "t2").start();
        }
    
        //对象锁
        public synchronized void eat() {
        
            while (true) {
        
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 吃饭......" + System.currentTimeMillis());
                ThreadUtils.sleepMilliSeconds(300);
            }
        }
    }

/**
     * 两个线程同时访问同一个对象的同步方法和非同步方法，不互斥；
     */
    public class Test02 {
        
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            Test02 t = new Test02();
    
            new Thread(() -> t.eat(), "t1").start();
            new Thread(() -> t.work(), "t2").start();
        }
    
        //同步方法
        public synchronized void eat() {
        
            while (true) {
        
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 吃饭......" + System.currentTimeMillis());
                ThreadUtils.sleepMilliSeconds(300);
            }
        }
    
        //非同步方法
        public void work() {
        
            while (true) {
        
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 工作......" + System.currentTimeMillis());
                ThreadUtils.sleepMilliSeconds(300);
            }
        }
    }

（2）类锁；

public class Test05 {
        
    
        //new一个对象作为锁
        private Object lock = new Object();
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            new Thread(() -> eat(), "t1").start();
            new Thread(() -> eat(), "t2").start();
        }
    
        /*
          两个线程同时访问同一个类的静态同步方法，会互斥；
        public synchronized static void eat() {
            while (true) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 吃饭......" + System.currentTimeMillis());
                ThreadUtils.sleepMilliSeconds(300);
            }
        }*/
    
        public static void eat() {
        
    
            synchronized (Test05.class) {
         //类锁
                while (true) {
        
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 吃饭......" + System.currentTimeMillis());
                    ThreadUtils.sleepMilliSeconds(300);
                }
            }
        }
    
        public static void eat2() {
        
            synchronized (Test05.class.getClass()) {
         //类锁
                while (true) {
        
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 吃饭......" + System.currentTimeMillis());
                    ThreadUtils.sleepMilliSeconds(300);
                }
            }
        }
    
        public void eat3() {
        
            synchronized (lock) {
        //对象锁
                while (true) {
        
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 吃饭......" + System.currentTimeMillis());
                    ThreadUtils.sleepMilliSeconds(300);
                }
            }
        }
    }

#### 2.4.3对象锁 ####

##### 1、两个线程同时访问同一个对象的同步方法，会互斥； #####

/**
     * 两个线程同时访问同一个对象的同步方法，会互斥；
     *
     */
    public class Test01 {
        
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            Test01 test01 = new Test01();
            new Thread(() -> test01.eat(), "t1").start();
            new Thread(() -> test01.eat(), "t2").start();
        }
        //对象锁
        public synchronized void eat() {
        
            while (true) {
        
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 吃饭......" + System.currentTimeMillis());
                ThreadUtils.sleepMilliSeconds(300);
            }
        }
    }

##### 2、两个线程同时访问同一个对象的同步方法和非同步方法，不互斥； #####

/**
     * 两个线程同时访问同一个对象的同步方法和非同步方法，不互斥；
     */
    public class Test02 {
        
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            Test02 t = new Test02();
            new Thread(() -> t.eat(), "t1").start();
            new Thread(() -> t.work(), "t2").start();
        }
        //同步方法
        public synchronized void eat() {
        
            while (true) {
        
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 吃饭......" + System.currentTimeMillis());
                ThreadUtils.sleepMilliSeconds(300);
            }
        }
        //非同步方法
        public void work() {
        
            while (true) {
        
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 工作......" + System.currentTimeMillis());
                ThreadUtils.sleepMilliSeconds(300);
            }
        }
    }

##### 3、两个线程同时访问两个对象的同步方法，不互斥； #####

/**
     * 两个线程同时访问两个对象的同步方法，不互斥；
     *
     */
    public class Test03 {
        
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            Test03 t1 = new Test03();
            Test03 t2 = new Test03();
            new Thread(() -> t1.eat(), "t1").start();
            new Thread(() -> t2.eat(), "t2").start();
        }
        //同步方法
        public synchronized void eat() {
        
            while (true) {
        
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 吃饭......" + System.currentTimeMillis());
                ThreadUtils.sleepMilliSeconds(300);
            }
        }
    }

##### 4、两个线程同时访问两个对象的同步方法和非同步方法，不互斥； #####

/**
     * 两个线程同时访问两个对象的同步方法和非同步方法，不互斥；
     */
    public class Test04 {
        
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            Test04 t1 = new Test04();
            Test04 t2 = new Test04();
            new Thread(() -> t1.eat(), "t1").start();
            new Thread(() -> t1.work(), "t1").start();
    
            new Thread(() -> t2.eat(), "t2").start();
            new Thread(() -> t2.work(), "t2").start();
        }
        public synchronized void eat() {
        
            while (true) {
        
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 吃饭......" + System.currentTimeMillis());
                ThreadUtils.sleepMilliSeconds(300);
            }
        }
        public void work() {
        
            while (true) {
        
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 工作......" + System.currentTimeMillis());
                ThreadUtils.sleepMilliSeconds(300);
            }
        }
    }

#### 2.4.4类锁 ####

##### 1、两个线程同时访问同一个类的静态同步方法，会互斥； #####

/**
     * 两个线程同时访问同一个类的静态同步方法，会互斥；
     *
     */
    public class Test05 {
        
    
        //Test05.class --> Class
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            new Thread(() -> eat(), "t1").start();
            new Thread(() -> eat(), "t2").start();
        }
        public synchronized static void eat() {
        
            while (true) {
        
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 吃饭......" + System.currentTimeMillis());
                ThreadUtils.sleepMilliSeconds(300);
            }
        }
    }

##### 2、两个线程同时访问不同类的静态同步方法，不互斥； #####

/**
     * 两个线程同时访问不同类的静态同步方法，不互斥；
     *
     */
    public class Test06 {
        
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            new Thread(() -> eat(), "t1").start();
            new Thread(() -> Cat.eat(), "t2").start();
        }
        
        public synchronized static void eat() {
        
            while (true) {
        
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 吃饭......" + System.currentTimeMillis());
                ThreadUtils.sleepMilliSeconds(300);
            }
        }
    }

##### 3、两个线程同时访问同一个类的静态同步方法和静态非同步方法，不互斥； #####

/**
     * 两个线程同时访问同一个类的静态同步方法和静态非同步方法，不互斥；
     *
     */
    public class Test07 {
        
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            new Thread(() -> eat(), "t1").start();
            new Thread(() -> work(), "t2").start();
        }
    
        public synchronized static void eat() {
        
            while (true) {
        
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 吃饭......" + System.currentTimeMillis());
                ThreadUtils.sleepMilliSeconds(300);
            }
        }
    
        public static void work() {
        
            while (true) {
        
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 工作......" + System.currentTimeMillis());
                ThreadUtils.sleepMilliSeconds(300);
            }
        }
    }

##### 4、两个线程同时访问同一个类的静态同步方法和非静态同步方法，不互斥； #####

/**
     * 两个线程同时访问同一个类的静态同步方法和非静态同步方法，不互斥；
     *
     */
    public class Test08 {
        
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            Test08 t = new Test08();
    
            new Thread(() -> eat(), "t1").start();
            new Thread(() -> t.work(), "t2").start();
        }
    
        public synchronized static void eat() {
        
            while (true) {
        
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 吃饭......" + System.currentTimeMillis());
                ThreadUtils.sleepMilliSeconds(300);
            }
        }
    
        public synchronized void work() {
        
            while (true) {
        
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 工作......" + System.currentTimeMillis());
                ThreadUtils.sleepMilliSeconds(300);
            }
        }
    }

**- 总结：使用的是同一把锁就互斥，不是同一把锁，要不会互斥！**

### 2.5synchronized底层实现原理剖析 ###

**synchronized锁的类型分为：偏向锁、轻量级锁、重量级锁；**  
JDK1.6之前，synchronized只有重量级锁，JDK1.6之后新增了偏向锁、轻量级锁，这是JDK的一种锁优化提升；

#### 2.5.1JVM堆内存中的对象布局？ ####

在 HotSpot 虚拟机中，一个对象的存储结构分为3块区域：

*  **（1）对象头(Header)**
 *  **（2）实例数据(Instance Data)**
 *  **（3）对齐填充(Padding)；**  
    ![在这里插入图片描述][2b1b3e1ee9fa474b90c5e35eec87d49d.png]

##### 对象头(Header)： #####

第一部分是Mark Word，用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等，32位虚拟机占32 bit，64位虚拟机占 64 bit，下图分别是32位和64位的Mark Word存储结构：  
![在这里插入图片描述][660228d2b4884a0193ea32616cb67d79.png]

*  通过2bit表示锁状态，通过1bit表示无锁和偏向锁；
 *  第二部分是类型指针，即对象指向它的类的元数据指针，虚拟机通过这个指针确定这个对象是哪个类的实例；
 *  (第三部分) 如果是Java数组，对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为普通对象可以通过 Java 对象元数据确定大小，而数组对象不可以；

##### 实例数据(Instance Data)： #####

程序代码中所定义的各种成员变量类型的字段内容(包含父类继承下来的和子类中定义的)；

##### 对齐填充(Padding)： #####

不是必然需要，主要是占位，保证对象大小是某个字节的整数倍，HotSpot虚拟机，任何对象的大小都是8字节的整数倍，可以通过-XX:ObjectAlignmentInBytes=16调整默认的对齐大小为16 bytes的倍数；

#### 2.5.2JOL查看Java对象内存布局 ####

JOL (Java?Object Layout)，通过JOL输出对象内存布局：

<dependency>
        <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
        <artifactId>jol-core</artifactId>
        <version>0.14</version>
    </dependency>

![在这里插入图片描述][9c3ed8fbe9c048a8a90fe5dbde0024b4.png]

*  **OFFSET**：偏移地址，单位：字节；
 *  **SIZE**：占用内存大小，单位：字节；
 *  **TYPE DESCRIPTION**：类型描述，其中(object header)表示对象头，单位：字节，一共占用12字节，前面8字节对应对象头中的Mark Word，最后4字节对应类型指针（类型指针默认进行了压缩是4字节，通过-XX:-- - - UseCompressedOops关闭指针压缩，若没有压缩就会变成8字节）；  
    (loss due to the next object alignment) 表示对齐填充，对齐填充使用了4字节，从而保证整个大小是8字节的整数倍；
 *  **Instance size**: 32 bytes表示当前对象占32字节；
 *  **Space losses**: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total 内部及外部的空间损失；
 *  **VALUE**：对应内存中当前存储的值；

**【衔接下一章 [【并发编程九：线程安全问题分析及锁的介绍（2）】][2]】**

[Java_4_-]: https://blog.csdn.net/weixin_43333483/article/details/124557296?spm=1001.2014.3001.5502
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[2]: https://blog.csdn.net/weixin_43333483/article/details/124558495?spm=1001.2014.3001.5501