第10篇：线程安全和synchronized

star2017 1年前 ⋅ 705 阅读

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什么是线程安全？

当多个线程去访问同一个类（对象或方法）的时候，该类都能表现出正常的行为（与自己预想的结果一致），那我们就可以所这个类是线程安全的。

看一段代码：

  1. package com.itsoku.chat04;
  3. /**
  4.  * 微信公众号：路人甲Java，专注于java技术分享（带你玩转 爬虫、分布式事务、异步消息服务、任务调度、分库分表、大数据等），喜欢请关注！
  5.  */
  6. public class Demo1 {
  7.     static int num = 0;
  9.     public static void m1() {
  10.         for (int i = 0; i < 10000; i++) {
  11.             num++;
  12.         }
  13.     }
  15.     public static class T1 extends Thread {
  16.         @Override
  17.         public void run() {
  18.             Demo1.m1();
  19.         }
  20.     }
  22.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  23.         T1 t1 = new T1();
  24.         T1 t2 = new T1();
  25.         T1 t3 = new T1();
  26.         t1.start();
  27.         t2.start();
  28.         t3.start();
  30.         //等待3个线程结束打印num
  31.         t1.join();
  32.         t2.join();
  33.         t3.join();
  35.         System.out.println(Demo1.num);
  36.         /**
  37.          * 打印结果：
  38.          * 25572
  39.          */
  40.     }
  41. }

Demo1中有个静态变量num，默认值是0，m1()方法中对num++执行10000次，main方法中创建了3个线程用来调用m1()方法，然后调用3个线程的join()方法，用来等待3个线程执行完毕之后，打印num的值。我们期望的结果是30000，运行一下，但真实的结果却不是30000。上面的程序在多线程中表现出来的结果和预想的结果不一致，说明上面的程序不是线程安全的。

线程安全是并发编程中的重要关注点，应该注意到的是，造成线程安全问题的主要诱因有两点：

  1. 一是存在共享数据(也称临界资源)
  2. 二是存在多条线程共同操作共享数据

因此为了解决这个问题，我们可能需要这样一个方案，当存在多个线程操作共享数据时，需要保证同一时刻有且只有一个线程在操作共享数据，其他线程必须等到该线程处理完数据后再进行，这种方式有个高尚的名称叫互斥锁，即能达到互斥访问目的的锁，也就是说当一个共享数据被当前正在访问的线程加上互斥锁后，在同一个时刻，其他线程只能处于等待的状态，直到当前线程处理完毕释放该锁。在 Java 中，关键字 synchronized可以保证在同一个时刻，只有一个线程可以执行某个方法或者某个代码块(主要是对方法或者代码块中存在共享数据的操作)，同时我们还应该注意到synchronized另外一个重要的作用，synchronized可保证一个线程的变化(主要是共享数据的变化)被其他线程所看到（保证可见性，完全可以替代volatile功能），这点确实也是很重要的。

那么我们把上面的程序做一下调整，在m1()方法上面使用关键字synchronized，如下：

  1. public static synchronized void m1() {
  2.     for (int i = 0; i < 10000; i++) {
  3.         num++;
  4.     }
  5. }

然后执行代码，输出30000，和期望结果一致。

synchronized主要有3种使用方式

  1. 修饰实例方法，作用于当前实例，进入同步代码前需要先获取实例的锁
  2. 修饰静态方法，作用于类的Class对象，进入修饰的静态方法前需要先获取类的Class对象的锁
  3. 修饰代码块，需要指定加锁对象(记做lockobj)，在进入同步代码块前需要先获取lockobj的锁

synchronized作用于实例对象

所谓实例对象锁就是用synchronized修饰实例对象的实例方法，注意是实例方法，不是静态方法，如：

  1. package com.itsoku.chat04;
  3. /**
  4.  * 微信公众号：路人甲Java，专注于java技术分享（带你玩转 爬虫、分布式事务、异步消息服务、任务调度、分库分表、大数据等），喜欢请关注！
  5.  */
  6. public class Demo2 {
  7.     int num = 0;
  9.     public synchronized void add() {
  10.         num++;
  11.     }
  13.     public static class T extends Thread {
  14.         private Demo2 demo2;
  16.         public T(Demo2 demo2) {
  17.             this.demo2 = demo2;
  18.         }
  20.         @Override
  21.         public void run() {
  22.             for (int i = 0; i < 10000; i++) {
  23.                 this.demo2.add();
  24.             }
  25.         }
  26.     }
  28.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  29.         Demo2 demo2 = new Demo2();
  30.         T t1 = new T(demo2);
  31.         T t2 = new T(demo2);
  32.         t1.start();
  33.         t2.start();
  35.         t1.join();
  36.         t2.join();
  38.         System.out.println(demo2.num);
  39.     }
  40. }

main()方法中创建了一个对象demo2和2个线程t1、t2，t1、t2中调用demo2的add()方法10000次，add()方法中执行了num++，num++实际上是分3步，获取num，然后将num+1，然后将结果赋值给num，如果t2在t1读取num和num+1之间获取了num的值，那么t1和t2会读取到同样的值，然后执行num++，两次操作之后num是相同的值，最终和期望的结果不一致，造成了线程安全失败，因此我们对add方法加了synchronized来保证线程安全。

注意：m1()方法是实例方法，两个线程操作m1()时，需要先获取demo2的锁，没有获取到锁的，将等待，直到其他线程释放锁为止。

synchronize作用于实例方法需要注意：

  1. 实例方法上加synchronized，线程安全的前提是，多个线程操作的是同一个实例，如果多个线程作用于不同的实例，那么线程安全是无法保证的
  2. 同一个实例的多个实例方法上有synchronized，这些方法都是互斥的，同一时间只允许一个线程操作同一个实例的其中的一个synchronized方法

synchronized作用于静态方法

当synchronized作用于静态方法时，锁的对象就是当前类的Class对象。如：

  1. package com.itsoku.chat04;
  3. /**
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  5.  */
  6. public class Demo3 {
  7.     static int num = 0;
  9.     public static synchronized void m1() {
  10.         for (int i = 0; i < 10000; i++) {
  11.             num++;
  12.         }
  13.     }
  15.     public static class T1 extends Thread {
  16.         @Override
  17.         public void run() {
  18.             Demo3.m1();
  19.         }
  20.     }
  22.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  23.         T1 t1 = new T1();
  24.         T1 t2 = new T1();
  25.         T1 t3 = new T1();
  26.         t1.start();
  27.         t2.start();
  28.         t3.start();
  30.         //等待3个线程结束打印num
  31.         t1.join();
  32.         t2.join();
  33.         t3.join();
  35.         System.out.println(Demo3.num);
  36.         /**
  37.          * 打印结果：
  38.          * 30000
  39.          */
  40.     }
  41. }

上面代码打印30000，和期望结果一致。m1()方法是静态方法，有synchronized修饰，锁用于与Demo3.class对象，和下面的写法类似：

  1. public static void m1() {
  2.     synchronized (Demo4.class) {
  3.         for (int i = 0; i < 10000; i++) {
  4.             num++;
  5.         }
  6.     }
  7. }

synchronized同步代码块

除了使用关键字修饰实例方法和静态方法外，还可以使用同步代码块，在某些情况下，我们编写的方法体可能比较大，同时存在一些比较耗时的操作，而需要同步的代码又只有一小部分，如果直接对整个方法进行同步操作，可能会得不偿失，此时我们可以使用同步代码块的方式对需要同步的代码进行包裹，这样就无需对整个方法进行同步操作了，同步代码块的使用示例如下：

  1. package com.itsoku.chat04;
  3. /**
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  5.  */
  6. public class Demo5 implements Runnable {
  7.     static Demo5 instance = new Demo5();
  8.     static int i = 0;
  10.     @Override
  11.     public void run() {
  12.         //省略其他耗时操作....
  13.         //使用同步代码块对变量i进行同步操作,锁对象为instance
  14.         synchronized (instance) {
  15.             for (int j = 0; j < 10000; j++) {
  16.                 i++;
  17.             }
  18.         }
  19.     }
  21.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  22.         Thread t1 = new Thread(instance);
  23.         Thread t2 = new Thread(instance);
  24.         t1.start();
  25.         t2.start();
  27.         t1.join();
  28.         t2.join();
  30.         System.out.println(i);
  31.     }
  32. }

从代码看出，将synchronized作用于一个给定的实例对象instance，即当前实例对象就是锁对象，每次当线程进入synchronized包裹的代码块时就会要求当前线程持有instance实例对象锁，如果当前有其他线程正持有该对象锁，那么新到的线程就必须等待，这样也就保证了每次只有一个线程执行i++;操作。当然除了instance作为对象外，我们还可以使用this对象(代表当前实例)或者当前类的class对象作为锁，如下代码：

  1. //this,当前实例对象锁
  2. synchronized(this){
  3.     for(int j=0;j<1000000;j++){
  4.         i++;
  5.     }
  6. }
  8. //class对象锁
  9. synchronized(Demo5.class){
  10.     for(int j=0;j<1000000;j++){
  11.         i++;
  12.     }
  13. }

分析代码是否互斥的方法，先找出synchronized作用的对象是谁，如果多个线程操作的方法中synchronized作用的锁对象一样，那么这些线程同时异步执行这些方法就是互斥的。如下代码:

  1. package com.itsoku.chat04;
  3. /**
  4.  * 微信公众号：路人甲Java，专注于java技术分享（带你玩转 爬虫、分布式事务、异步消息服务、任务调度、分库分表、大数据等），喜欢请关注！
  5.  */
  6. public class Demo6 {
  7.     //作用于当前类的实例对象
  8.     public synchronized void m1() {
  9.     }
  11.     //作用于当前类的实例对象
  12.     public synchronized void m2() {
  13.     }
  15.     //作用于当前类的实例对象
  16.     public void m3() {
  17.         synchronized (this) {
  18.         }
  19.     }
  21.     //作用于当前类Class对象
  22.     public static synchronized void m4() {
  23.     }
  25.     //作用于当前类Class对象
  26.     public static void m5() {
  27.         synchronized (Demo6.class) {
  28.         }
  29.     }
  31.     public static class T extends Thread{
  32.         Demo6 demo6;
  34.         public T(Demo6 demo6) {
  35.             this.demo6 = demo6;
  36.         }
  38.         @Override
  39.         public void run() {
  40.             super.run();
  41.         }
  42.     }
  44.     public static void main(String[] args) {
  45.         Demo6 d1 = new Demo6();
  46.         Thread t1 = new Thread(() -> {
  47.             d1.m1();
  48.         });
  49.         t1.start();
  50.         Thread t2 = new Thread(() -> {
  51.             d1.m2();
  52.         });
  53.         t2.start();
  55.         Thread t3 = new Thread(() -> {
  56.             d1.m2();
  57.         });
  58.         t3.start();
  60.         Demo6 d2 = new Demo6();
  61.         Thread t4 = new Thread(() -> {
  62.             d2.m2();
  63.         });
  64.         t4.start();
  66.         Thread t5 = new Thread(() -> {
  67.             Demo6.m4();
  68.         });
  69.         t5.start();
  71.         Thread t6 = new Thread(() -> {
  72.             Demo6.m5();
  73.         });
  74.         t6.start();
  75.     }
  77. }

分析上面代码：

  1. 线程t1、t2、t3中调用的方法都需要获取d1的锁，所以他们是互斥的
  2. t1/t2/t3这3个线程和t4不互斥，他们可以同时运行，因为前面三个线程依赖于d1的锁，t4依赖于d2的锁
  3. t5、t6都作用于当前类的Class对象锁，所以这两个线程是互斥的，和其他几个线程不互斥

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