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Synchronized到底锁住的是谁?

先来一道并发编程笔试题

题目:利用5个线程并发执行,num数字累计计数到10000,并打印。

/**
* Description:
* 利用5个线程并发执行,num数字累加计数到10000,并打印。
* 2019-06-13
* Created with OKevin.
*/
public class Count {
   private int num = 0;

   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
       Count count = new Count();

       Thread thread1 = new Thread(count.new MyThread());
       Thread thread2 = new Thread(count.new MyThread());
       Thread thread3 = new Thread(count.new MyThread());
       Thread thread4 = new Thread(count.new MyThread());
       Thread thread5 = new Thread(count.new MyThread());
       thread1.start();
       thread2.start();
       thread3.start();
       thread4.start();
       thread5.start();
       thread1.join();
       thread2.join();
       thread3.join();
       thread4.join();
       thread5.join();

       System.out.println(count.num);

   }

   private synchronized void increse() {
       for (int i = 0; i < 2000; i++) {
           num++;
       }
   }

   class MyThread implements Runnable {
       @Override
       public void run() {
           increse();
       }
   }
}
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这道并发编程面试题,题目不难,方法简单。其中涉及一个核心知识点——synchronized(当然这题的解法有很多),这也是本文想要弄清的主题。

synchronized被大大小小的程序员广泛使用,有的程序员偷懒,在要求保证线程安全时,不加思索的就在方法前加入了synchronized关键字(例如我刚才那道大题)。偷懒归偷懒,CodeReview总是要进行的,面对同事的“指责”,要求优化这个方法,将synchronized使用同步代码块的方式提高效率。

synchronized要按照同步代码块来保证线程安全,这可就加在方法“复杂”多了。有:synchronized(this){}这么写的,也有synchronized(Count.class){}这么写的,还有定义了一个private Object obj = new Object; ….synchronized(obj){}这么写的。此时不禁在心里“W*F”。

synchronized你到底锁住的是谁?

synchronized从语法的维度一共有3个用法:

    1. 静态方法加上关键字
    1. 实例方法(也就是普通方法)加上关键字
    1. 方法中使用同步代码块

前两种方式最为偷懒,第三种方式比前两种性能要好。

synchronized从锁的是谁的维度一共有两种情况:

    1. 锁住类
    1. 锁住对象实例

我们还是从直观的语法结构上来讲述synchronized。

1)静态方法上的锁

静态方法是属于“类”,不属于某个实例,是所有对象实例所共享的方法。也就是说如果在静态方法上加入synchronized,那么它获取的就是这个类的锁,锁住的就是这个类

2)实例方法(普通方法)上的锁

实例方法并不是类所独有的,每个对象实例独立拥有它,它并不被对象实例所共享。这也比较能推出,在实例方法上加入synchronized,那么它获取的就是这个累的锁,锁住的就是这个对象实例

那锁住类还是锁住对象实例,这跟我线程安全关系大吗?大,差之毫厘谬以千里的大。为了更好的理解锁住类还是锁住对象实例,在进入“3)方法中使用同步代码块”前,先直观的感受下这两者的区别。

对实例方法(普通方法)上加关键字锁住对象实例锁的解释

首先定义一个Demo类,其中的实例方法加上了synchronized关键字,按照所述也就是说锁住的对象实例。

/**
* Description:
* 死循环,目的是两个线程抢占一个锁时,只要其中一个线程获取,另一个线程就会一直阻塞
* 2019-06-13
* Created with OKevin.
*/
public class Demo {

   public synchronized void demo() {
       while (true) {   //synchronized方法内部是一个死循环,一旦一个线程持有过后就不会释放这个锁
           System.out.println(Thread.currentThread());
       }
   }
}
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可以看到在demo方法中定义了一个死循环,一旦一个线程持有这个锁后其他线程就不可能获取这个锁。结合上述synchronized修饰实例方法锁住的是对象实例,如果两个线程针对的是一个对象实例,那么其中一个线程必然不可能获取这个锁;如果两个线程针对的是两个对象实例,那么这两个线程不相关均能获取这个锁。

自定义线程,调用demo方法。

/**
* Description:
* 自定义线程
* 2019-06-13
* Created with OKevin.
*/
public class MyThread implements Runnable {
   private Demo demo;

   public MyThread(Demo demo) {
       this.demo = demo;
   }

   @Override
   public void run() {
       demo.demo();
   }
}
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测试程序1:两个线程抢占一个对象实例的锁

/**
* Description:
* 两个线程抢占一个对象实例的锁
* 2019-06-13
* Created with OKevin.
*/
public class Main1 {
   public static void main(String[] args) {
       Demo demo = new Demo();
       Thread thread1 = new Thread(new MyThread(demo));
       Thread thread2 = new Thread(new MyThread(demo));
       thread1.start();
       thread2.start();
   }
}
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如上图所示,输出结果显然只会打印一个线程的信息,另一个线程永远也获取不到这个锁。

测试程序2:两个线程分别抢占两个对象实例的锁

/**
* Description:
* 两个线程分别抢占两个对象实例的锁
* 2019-06-13
* Created with OKevin.
*/
public class Main2 {
   public static void main(String[] args) {
       Demo demo1 = new Demo();
       Demo demo2 = new Demo();
       Thread thread1 = new Thread(new MyThread(demo1));
       Thread thread2 = new Thread(new MyThread(demo2));
       thread1.start();
       thread2.start();
   }
}
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如上图所示,显然,两个线程均进入到了demo方法,也就是均获取到了锁,证明,两个线程抢占的就不是同一个锁,这就是synchronized修饰实例方法时,锁住的是对象实例的解释。

对静态方法上加关键字锁住类锁的解释

静态方法是类所有对象实例所共享的,无论定义多少个实例,是要是静态方法上的锁,它至始至终只有1个。将上面的程序Demo中的方法加上static,无论使用“测试程序1”还是“测试程序2”,均只有一个线程可以抢占到锁,另一个线程仍然是永远无法获取到锁。

让我们重新回到从语法结构上解释synchronized。

3)方法中使用同步代码块

程序的改良优化需要建立在有坚实的基础,如果在不了解其内部机制,改良也仅仅是“形式主义”。

结合开始CodeReview的例子:

你的同事在CodeReview时,要求你将实例方法上的synchronized,改为效率更高的同步代码块方式。在你不清楚同步代码的用法时,网上搜到了一段synchronized(this){}代码,复制下来发现也能用,此时你以为你改良优化了代码。但实际上,你可能只是做了一点形式主义上的优化。

为什么这么说?这需要清楚地认识同步代码块到底应该怎么用。

3.1)synchronized(this){...}

this关键字所代表的意思是该对象实例,换句话说,这种用法synchronized锁住的仍然是对象实例,他和public synchronized void demo(){}可以说仅仅是做了语法上的改变。

/**
* 2019-06-13
* Created with OKevin.
**/
public class Demo {
  
   public synchronized void demo1() {
       while (true) {  //死循环目的是为了让线程一直持有该锁
           System.out.println(Thread.currentThread());
       }
   }

   public synchronized void demo2() {
       while (true) {
           System.out.println(Thread.currentThread());
       }
   }
}
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改为以下方式:

/**
* Description:
* synchronized同步代码块对本实例加锁(this)
* 假设demo1与demo2方法不相关,此时两个线程对同一个对象实例分别调用demo1与demo2,只要其中一个线程获取到了锁即执行了demo1或者demo2,此时另一个线程会永远处于阻塞状态
* 2019-06-13
* Created with OKevin.
*/
public class Demo {

   public void demo1() {
       synchronized (this) {
           while (true) {  //死循环目的是为了让线程一直持有该锁
               System.out.println(Thread.currentThread());
           }
       }
   }

   public void demo2() {
       synchronized (this) {
           while (true) {
               System.out.println(Thread.currentThread());
           }
       }
   }
}
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也许后者在JVM中可能会做一些特殊的优化,但从代码分析上来讲,两者并没有做到很大的优化,线程1执行demo1,线程2执行demo2,由于两个方法均是抢占对象实例的锁,只要有一个线程获取到锁,另外一个线程只能阻塞等待,即使两个方法不相关。

3.2)private Object obj = new Object();    synchronized(obj){...}

/**
* Description:
* synchronized同步代码块对对象内部的实例加锁
* 假设demo1与demo2方法不相关,此时两个线程对同一个对象实例分别调用demo1与demo2,均能获取各自的锁
* 2019-06-13
* Created with OKevin.
*/
public class Demo {
   private Object lock1 = new Object();
   private Object lock2 = new Object();

   public void demo1() {
       synchronized (lock1) {
           while (true) {  //死循环目的是为了让线程一直持有该锁
               System.out.println(Thread.currentThread());
           }
       }
   }

   public void demo2() {
       synchronized (lock2) {
           while (true) {
               System.out.println(Thread.currentThread());
           }
       }
   }
}
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经过上面的分析,看到这里,你可能会开始懂了,可以看到demo1方法中的同步代码块锁住的是lock1对象实例,demo2方法中的同步代码块锁住的是lock2对象实例。如果线程1执行demo1,线程2执行demo2,由于两个方法抢占的是不同的对象实例锁,也就是说两个线程均能获取到锁执行各自的方法(当然前提是两个方法互不相关,才不会出现逻辑错误)。

3.3)synchronized(Demo.class){...}

这种形式等同于抢占获取类锁,这种方式,同样和3.1一样,收效甚微。

所以CodeReivew后的代码应该是3.2) private Object obj = new Object();    synchronized(obj){...},这才是对你代码的改良优化。

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