Java之戳中痛点之synchronized 深度解析

 概览：

•  简介：作用、地位、不控制并发的影响
•  用法：对象锁和类锁
•  多线程访问同步方法的7种情况
•  性质：可重入、不可中断
•  原理：加解锁原理、可重入原理、可见性原理
•  缺陷：效率低、不够灵活、无法预判是否成功获取到锁
•  如何选择Lock或Synchronized
•  如何提高性能、JVM如何决定哪个线程获取锁
•  总结

后续会有代码演示，测试环境 JDK8、IDEA

一、简介

1、作用

能够保证在同一时刻最多只有一个线程执行该代码，以保证并发安全的效果。

2、地位

•  Synchronized是Java关键字，Java原生支持
•  最基本的互斥同步手段
•  并发编程的元老级别

3、不控制并发的影响

测试：两个线程同时a++，猜一下结果 

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;  
/**  
 * 不使用synchronized,两个线程同时a++  
 *  
 * @author JSON  
 */  
public class SynchronizedTest1 implements Runnable{  
    static SynchronizedTest1 st = new SynchronizedTest1();  
    static int a = 0;  
    /**  
     * 不使用synchronized,两个线程同时a++  
     */  
    public static void main(String[] args) throws Exception{  
        Thread t1 = new Thread(st);  
        Thread t2 = new Thread(st);  
        t1.start();  
        t2.start();  
        t1.join();  
        t2.join();  
        System.out.println(a);  
    }  
    @Override  
    public void run(){  
        for(int i=0; i<10000; i++){  
            a++;  
        }  
    }  
} 

预期是20000，但多次执行的结果都小于20000 

10108  
11526  
10736  
... 

二、用法：对象锁和类锁

1、对象锁

•  代码块形式：手动指定锁对象
•  方法锁形式：synchronized修饰方法，锁对象默认为this 

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;  
/**  
 * 对象锁实例: 代码块形式  
 *  
 * @author JSON  
 */  
public class SynchronizedTest2 implements Runnable{  
    static SynchronizedTest2 st = new SynchronizedTest2();  
    public static void main(String[] args) {  
        Thread t1 = new Thread(st);  
        Thread t2 = new Thread(st);  
        t1.start();  
        t2.start();  
        while(t1.isAlive() || t2.isAlive()){  
        }  
        System.out.println("run over");  
    }  
    @Override  
    public void run(){  
        synchronized (this){  
            System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());  
            try {  
                // 模拟执行内容  
                Thread.sleep(3000);  
            }catch (Exception e){  
                e.printStackTrace();  
            }  
            System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());  
        }  
    }  
}  

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;  
/**  
 * 对象锁实例：synchronized方法  
 * @author JSON 
 */  
public class SynchronizedTest3 implements Runnable{  
    static SynchronizedTest3 st = new SynchronizedTest3();  
    public static void main(String[] args) throws Exception{  
        Thread t1 = new Thread(st);  
        Thread t2 = new Thread(st);  
        t1.start();  
        t2.start();  
        t1.join();  
        t2.join();  
        System.out.println("run over");  
    }  
    @Override  
    public void run(){  
        method();  
    }  
    public synchronized void method(){  
        System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());  
        try {  
            // 模拟执行内容  
            Thread.sleep(3000);  
        }catch (Exception e){  
            e.printStackTrace();  
        }  
        System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());  
    }  
} 

结果： 

开始执行:Thread-0  
执行结束:Thread-0  
开始执行:Thread-1  
执行结束:Thread-1  
run over 

2、类锁

概念：Java类可能有多个对象，但只有一个Class对象

本质：所谓的类锁，不过是Class对象的锁而已

用法和效果：类锁只能在同一时刻被一个对象拥有

形式1：synchronized加载static方法上

形式2：synchronized(*.class)代码块 

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;  
/**  
 * 类锁：synchronized加载static方法上  
 *  
 * @author JSON  
 */  
public class SynchronizedTest4 implements Runnable{  
    static SynchronizedTest4 st1 = new SynchronizedTest4();  
    static SynchronizedTest4 st2 = new SynchronizedTest4();  
    public static void main(String[] args) throws Exception{  
        Thread t1 = new Thread(st1);  
        Thread t2 = new Thread(st2);  
        t1.start();  
        t2.start();  
        t1.join();  
        t2.join();  
        System.out.println("run over");  
    }  
    @Override  
    public void run(){  
        method();  
    }  
    public static synchronized void method(){  
        System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());  
        try {  
            // 模拟执行内容  
            Thread.sleep(3000);  
        }catch (Exception e){  
            e.printStackTrace();  
        }  
        System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());  
    }  
}  

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;  
/**  
 * 类锁：synchronized(*.class)代码块  
 *  
 * @author JSON  
 */  
public class SynchronizedTest5 implements Runnable{  
    static SynchronizedTest4 st1 = new SynchronizedTest4();  
    static SynchronizedTest4 st2 = new SynchronizedTest4();  
    public static void main(String[] args) throws Exception{  
        Thread t1 = new Thread(st1);  
        Thread t2 = new Thread(st2);  
        t1.start();  
        t2.start();  
        t1.join();  
        t2.join();  
        System.out.println("run over");  
    }  
    @Override  
    public void run(){  
        method();  
    }  
    public void method(){  
        synchronized(SynchronizedTest5.class){  
            System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());  
            try {  
                // 模拟执行内容  
                Thread.sleep(3000);  
            }catch (Exception e){  
                e.printStackTrace();  
            }  
            System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());  
        }  
    }  
} 

结果： 

开始执行:Thread-0  
执行结束:Thread-0  
开始执行:Thread-1  
执行结束:Thread-1  
run over 

Java知音公众号内回复“面试题聚合”，送你一份面试题宝典

三、多线程访问同步方法的7种情况

1.  两个线程同时访问一个对象的相同的synchronized方法
2.  两个线程同时访问两个对象的相同的synchronized方法
3.  两个线程同时访问两个对象的相同的static的synchronized方法
4.  两个线程同时访问同一对象的synchronized方法与非synchronized方法
5.  两个线程访问同一对象的不同的synchronized方法
6.  两个线程同时访问同一对象的static的synchronized方法与非static的synchronized方法
7.  方法抛出异常后，会释放锁吗

仔细看下面示例代码结果输出的结果，注意输出时间间隔，来预测结论

场景1： 

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;  
/**  
 * 两个线程同时访问一个对象的相同的synchronized方法  
 *  
 * @author JSON  
 */  
public class SynchronizedScene1 implements Runnable{  
    static SynchronizedScene1 ss = new SynchronizedScene1();  
    public static void main(String[] args) throws Exception{  
        Thread t1 = new Thread(ss);  
        Thread t2 = new Thread(ss);  
        t1.start();  
        t2.start();  
        t1.join();  
        t2.join();  
        System.out.println("run over");  
    }  
    @Override  
    public void run(){  
        method();  
    }  
    public synchronized void method(){  
        System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());  
        try {  
            // 模拟执行内容  
            Thread.sleep(3000);  
        }catch (Exception e){  
            e.printStackTrace();  
        } 
        System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());  
    }  
} 

场景2： 

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;  
/**  
 * 两个线程同时访问两个对象的相同的synchronized方法  
 *  
 * @author JSON  
 */  
public class SynchronizedScene2 implements Runnable{  
    static SynchronizedScene2 ss1 = new SynchronizedScene2();  
    static SynchronizedScene2 ss2 = new SynchronizedScene2();  
     public static void main(String[] args) throws Exception{  
        Thread t1 = new Thread(ss1);  
        Thread t2 = new Thread(ss2);  
        t1.start();  
        t2.start();  
        t1.join();  
        t2.join(); 
         System.out.println("run over");  
    }  
    @Override  
    public void run(){  
        method();  
    } 
    public synchronized void method(){  
        System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());  
        try {  
            // 模拟执行内容  
            Thread.sleep(3000);  
        }catch (Exception e){  
            e.printStackTrace();  
        }  
        System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());  
    }  
} 

场景3： 

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;  
/**  
 * 两个线程同时访问两个对象的相同的static的synchronized方法  
 *  
 * @author JSON  
 */  
public class SynchronizedScene3 implements Runnable{  
    static SynchronizedScene3 ss1 = new SynchronizedScene3();  
    static SynchronizedScene3 ss2 = new SynchronizedScene3();  
    public static void main(String[] args) throws Exception{  
        Thread t1 = new Thread(ss1);  
        Thread t2 = new Thread(ss2); 
        t1.start();  
        t2.start();  
        t1.join();  
        t2.join();  
        System.out.println("run over");  
    }  
    @Override  
    public void run(){  
        method(); 
     }  
    public synchronized static void method(){  
        System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());  
        try {  
            // 模拟执行内容  
            Thread.sleep(3000);  
        }catch (Exception e){  
            e.printStackTrace();  
        }  
        System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());  
    }  
} 

场景4： 

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;  
/**  
 * 两个线程同时访问同一对象的synchronized方法与非synchronized方法  
 *  
 * @author JSON  
 */  
public class SynchronizedScene4 implements Runnable{  
    static SynchronizedScene4 ss1 = new SynchronizedScene4();  
    public static void main(String[] args) throws Exception{  
        Thread t1 = new Thread(ss1);  
        Thread t2 = new Thread(ss1);  
        t1.start();  
        t2.start();  
        t1.join();  
        t2.join();  
        System.out.println("run over");  
    }  
    @Override  
    public void run(){  
        // 模拟两个线程同时访问 synchronized方法与非synchronized方法  
        if(Thread.currentThread().getName().equals("Thread-0")){  
            method1();  
        }else{  
            method2();  
        }  
    }  
    public void method1(){  
        System.out.println("method1开始执行:" + Thread.currentThread().getName());  
        try {  
            // 模拟执行内容  
            Thread.sleep(3000);  
        }catch (Exception e){  
            e.printStackTrace();  
        }  
        System.out.println("method1执行结束:" + Thread.currentThread().getName());  
    }  
    public synchronized void method2(){  
        System.out.println("method2开始执行:" + Thread.currentThread().getName());  
        try {  
            // 模拟执行内容  
            Thread.sleep(3000);  
        }catch (Exception e){  
            e.printStackTrace();  
        }  
        System.out.println("method2执行结束:" + Thread.currentThread().getName());  
    }  
} 

场景5： 

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;  
/** 
 * 两个线程访问同一对象的不同的synchronized方法  
 *  
 * @author JSON  
 */  
public class SynchronizedScene5 implements Runnable{  
    static SynchronizedScene5 ss1 = new SynchronizedScene5();  
    public static void main(String[] args) throws Exception{  
        Thread t1 = new Thread(ss1);  
        Thread t2 = new Thread(ss1);  
        t1.start();  
        t2.start();  
        t1.join();  
        t2.join();  
        System.out.println("run over");  
    }  
    @Override  
    public void run(){  
        // 模拟两个线程同时访问不同的synchronized方法  
        if(Thread.currentThread().getName().equals("Thread-0")){  
            method1(); 
         }else{  
            method2();  
        }  
    }  
    public synchronized void method1(){  
        System.out.println("method1开始执行:" + Thread.currentThread().getName());  
        try {  
            // 模拟执行内容  
            Thread.sleep(3000);  
        }catch (Exception e){  
            e.printStackTrace();  
        }  
        System.out.println("method1执行结束:" + Thread.currentThread().getName());  
    }  
    public synchronized void method2(){  
        System.out.println("method2开始执行:" + Thread.currentThread().getName());  
        try {  
            // 模拟执行内容  
            Thread.sleep(3000);  
        }catch (Exception e){  
            e.printStackTrace();  
        }  
        System.out.println("method2执行结束:" + Thread.currentThread().getName());  
    }  
} 

场景6： 

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;  
/**  
 * 两个线程同时访问同一对象的static的synchronized方法与非static的synchronized方法  
 *  
 * @author JSON  
 */  
public class SynchronizedScene6 implements Runnable{  
    static SynchronizedScene6 ss1 = new SynchronizedScene6();  
    public static void main(String[] args) throws Exception{  
        Thread t1 = new Thread(ss1);  
        Thread t2 = new Thread(ss1);  
        t1.start();  
        t2.start();  
        t1.join(); 
        t2.join();  
        System.out.println("run over");  
    }  
    @Override  
    public void run(){  
        // 模拟两个线程同时访问static的synchronized方法与非static的synchronized方法  
        if(Thread.currentThread().getName().equals("Thread-0")){  
            method1();  
        }else{  
            method2();  
        }  
    }  
    public static synchronized void method1(){  
        System.out.println("method1开始执行:" + Thread.currentThread().getName());  
        try {  
            // 模拟执行内容  
            Thread.sleep(3000);  
        }catch (Exception e){  
            e.printStackTrace();  
        }  
        System.out.println("method1执行结束:" + Thread.currentThread().getName());  
    }  
    public synchronized void method2(){  
        System.out.println("method2开始执行:" + Thread.currentThread().getName());  
        try {  
            // 模拟执行内容  
            Thread.sleep(3000);  
        }catch (Exception e){  
            e.printStackTrace(); 
         }  
        System.out.println("method2执行结束:" + Thread.currentThread().getName());  
    }  
} 

场景7： 

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;  
/**  
 * 方法抛出异常后，会释放锁吗  
 *  
 * @author JSON  
 */  
public class SynchronizedScene7 implements Runnable{  
    static SynchronizedScene7 ss1 = new SynchronizedScene7();  
    public static void main(String[] args) throws Exception{  
        Thread t1 = new Thread(ss1);  
        Thread t2 = new Thread(ss1);  
        t1.start();  
        t2.start();  
        t1.join();  
        t2.join();  
        System.out.println("run over");  
    }  
    @Override  
    public void run(){  
        method1();  
    }  
    public synchronized void method1(){  
        System.out.println("method1开始执行:" + Thread.currentThread().getName());  
        try { 
             // 模拟执行内容  
            Thread.sleep(3000);  
        }catch (Exception e){  
            e.printStackTrace();  
        }  
        // 模拟异常  
        throw new RuntimeException();  
        //System.out.println("method1执行结束:" + Thread.currentThread().getName());  
    }  
} 

Java知音公众号内回复“面试题聚合”，送你一份面试题宝典

总结：

1、两个线程同时访问一个对象的相同的synchronized方法

同一实例拥有同一把锁，其他线程必然等待，顺序执行

2、两个线程同时访问两个对象的相同的synchronized方法

不同的实例拥有的锁是不同的，所以不影响，并行执行

3、两个线程同时访问两个对象的相同的static的synchronized方法

静态同步方法，是类锁，所有实例是同一把锁，其他线程必然等待，顺序执行

4、两个线程同时访问同一对象的synchronized方法与非synchronized方法

非synchronized方法不受影响，并行执行

5、两个线程访问同一对象的不同的synchronized方法

同一实例拥有同一把锁，所以顺序执行（说明：锁的是this对象==同一把锁）

6、两个线程同时访问同一对象的static的synchronized方法与非static的synchronized方法

static同步方法是类锁，非static是对象锁，原理上是不同的锁，所以不受影响，并行执行

7、方法抛出异常后，会释放锁吗

会自动释放锁，这里区别Lock，Lock需要显示的释放锁

3个核心思想：

•  一把锁只能同时被一个线程获取，没有拿到锁的线程必须等待（对应1、5的情景）
•  每个实例都对应有自己的一把锁，不同的实例之间互不影响；例外：锁对象是*.class以及synchronized被static修饰的时候，所有对象共用同一把锁（对应2、3、4、6情景）
•  无论是方法正常执行完毕还是方法抛出异常，都会释放锁（对应7情景）

补充：

问题：目前进入到被synchronized修饰的方法，这个方法里边调用了非synchronized方法，是线程安全的吗？ 

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;  
/**  
 * 目前进入到被synchronized修饰的方法，这个方法里边调用了非synchronized方法，是线程安全的吗？  
 *  
 * @author JSON  
 */  
public class SynchronizedScene8 { 
    public static void main(String[] args) {  
        new Thread(() -> {  
            method1();  
        }).start();  
        new Thread(() -> {  
            method1();  
        }).start(); 
     }  
    public static synchronized void method1() {  
        method2();  
    }  
    private static void method2() {  
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入非Synchronized方法");  
        try {  
            Thread.sleep(3000);  
        } catch (InterruptedException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束非Synchronized方法");  
    }  
} 

结论：这样是线程安全的

四、性质

1、可重入

指的是同一线程的外层函数获取锁之后，内层函数可以直接再次获取该锁

Java典型的可重入锁：synchronized、ReentrantLock

好处：避免死锁，提升封装性

粒度：线程而非调用

•  情况1：证明同一方法是可重入的
•  情况2：证明可重入不要求是同一方法
•  情况3：证明可重入不要求是同一类中的

2、不可中断

一旦这个锁被别的线程获取了，如果我现在想获得，我只能选择等待或者阻塞，直到别的线程释放这个锁，如果别的线程永远不释放锁，那么我只能永远的等待下去。

相比之下，Lock类可以拥有中断的能力，第一点：如果我觉得我等待的时间太长了，有权中断现在已经获取到锁的线程执行；第二点：如果我觉得我等待的时间太长了不想再等了，也可以退出。

五、原理

1、加解锁原理（现象、时机、深入JVM看字节码）

现象：每一个类的实例对应一把锁，每一个synchronized方法都必须首先获得调用该方法的类的实例的锁，方能执行，否则就会阻塞，方法执行完成或者抛出异常，锁被释放，被阻塞线程才能获取到该锁，执行。

获取和释放锁的时机：内置锁或监视器锁 

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest; 
import java.util.concurrent.locks.Lock;  
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;  
/**  
 * method1 等价于 method2  
 *  
 * @author JSON  
 * @date 2019-08-29  
 */  
public class SynchronizedToLock1 {  
    Lock lock = new ReentrantLock();  
    public synchronized void method1(){  
        System.out.println("执行method1");  
    }  
    public void method2(){  
        lock.lock();  
        try {  
            System.out.println("执行method2");  
        }catch (Exception e){  
            e.printStackTrace();  
        }finally {  
            lock.unlock();  
        }  
    } 
    public static void main(String[] args) {  
        SynchronizedToLock1 sl = new SynchronizedToLock1();  
        // method1 等价于 method2  
        sl.method1();  
        sl.method2();  
    }  
} 

深入JVM看字节码： 

...  
monitorenter指令  
...  
monitorexit指令  
... 

2、可重入原理（加锁次数计数器）

JVM负责跟踪对象被加锁的次数

线程第一次给对象加锁的时候，计数变为1，每当这个相同的线程在此对象上再次获得锁时，计数会递增

每当任务离开时，计数递减，当计数为0的时候，锁被完全释放

3、可见性原理（内存模型）

Java内存模型

线程A向线程B发送数据的过程（JMM控制）

synchronized关键字实现可见性：

被synchronized修饰，那么执行完成后，对对象所做的任何修改都要在释放锁之前，都要从线程内存写入到主内存，所以主内存中的数据是最新的。

六、缺陷

1、效率低

1)、锁的释放情况少（线程执行完成或者异常情况释放）

2)、试图获得锁时不能设定超时（只能等待）

3)、不能中断一个正在试图获得锁的线程（不能中断）

2、不够灵活

加锁和释放的时机比较单一，每个锁仅有单一的条件（某个对象），可能是不够的

比如：读写锁更灵活

3、无法预判是否成功获取到锁

七、常见问题

1、synchronized关键字注意点：

•  锁对象不能为空
•  作用域不宜过大
•  避免死锁

2、如何选择Lock和synchronized关键字？

总结建议（优先避免出错的原则）：

•  如果可以的话，尽量优先使用java.util.concurrent各种类（不需要考虑同步工作，不容易出错）
•  优先使用synchronized，这样可以减少编写代码的量，从而可以减少出错率
•  若用到Lock或Condition独有的特性，才使用Lock或Condition

八、总结

一句话总结synchronized：

JVM会自动通过使用monitor来加锁和解锁，保证了同一时刻只有一个线程可以执行指定的代码，从而保证线程安全，同时具有可重入和不可中断的特性。