Java之synchronized(含與ReentrantLock的區(qū)別解讀)
1. synchronized與ReentrantLock的區(qū)別
| 區(qū)別點(diǎn) | synchronized | ReentrantLock |
|---|---|---|
| 是什么？ | 關(guān)鍵字，是 JVM 層面通過監(jiān)視器實(shí)現(xiàn)的 | 類，基于 AQS 實(shí)現(xiàn)的 |
| 公平鎖與否？ | 非公平鎖 | 支持公平鎖和非公平鎖，默認(rèn)非公平鎖 |
| 獲取當(dāng)前線程是否上鎖 | 無 | 可以（isHeldByCurrentThread()） |
| 條件變量 | 無 | 支持條件變量（newCondition()） |
| 異常處理 | 在 synchronized 塊中發(fā)生異常，鎖會自動釋放 | 在 ReentrantLock 中沒有在 finally 塊中正確地調(diào)用 unlock() 方法，則可能會導(dǎo)致死鎖 |
| 靈活性1 | 自動加鎖和釋放鎖 | 手動加鎖和釋放鎖 |
| 靈活性2 | 無 | 允許嘗試去獲取鎖而不阻塞（如 tryLock 方法），并且可以指定獲取鎖等待的時間（如 tryLock(long time, TimeUnit unit)）。 |
| 可中斷性 | 不可中斷，除非發(fā)生了異常 | 允許線程中斷另一個持有鎖的線程，這樣持有鎖的線程可以選擇放棄鎖并響應(yīng)中斷。1.tryLock(long timeout, TimeUnit unit)；2.lockInterruptibly()和interrupt()配合使用 |
| 鎖的內(nèi)容 | 對象，鎖信息保存在對象頭中 | int類型的變量來標(biāo)識鎖的狀態(tài)：private volatile int state; |
| 鎖升級過程 | 無鎖->偏向鎖->輕量級鎖->重量級鎖 | 無 |
| 使用位置 | 普通方法、靜態(tài)方法、代碼塊 | 代碼塊（方法里的代碼，初始化塊都是代碼塊） |
2. synchronized的作用
在Java中，使用synchronized關(guān)鍵字可以確保任何時刻只有一個線程可以執(zhí)行特定的方法或者代碼塊。這有助于防止數(shù)據(jù)競爭條件（race conditions）和其他由于線程間共享資源而產(chǎn)生的問題。
當(dāng)一個方法或代碼塊被聲明為synchronized，它意味著在該方法或代碼塊執(zhí)行期間，其他試圖獲得相同鎖的線程將被阻塞，直到持有鎖的線程釋放該鎖。這個鎖通常是對象的一個監(jiān)視器（monitor），對于靜態(tài)方法來說是類的Class對象，對于實(shí)例方法則是擁有該方法的對象。
synchronized可以限制對共享資源的訪問，它鎖定的并不是臨界資源，而是某個對象，只有線程獲取到這個對象的鎖才能訪問臨界區(qū)，進(jìn)而訪問臨界區(qū)中的資源。
保證線程安全。
當(dāng)多個線程去訪問同一個類（對象或方法）的時候，該類都能表現(xiàn)出正常的行為（與自己預(yù)想的結(jié)果一致），那我們就可以說這個類是線程安全的。
造成線程安全問題的主要誘因有兩點(diǎn)
- 存在共享數(shù)據(jù)(也稱臨界資源)
- 存在多條線程共同操作共享數(shù)據(jù)
當(dāng)存在多個線程操作共享數(shù)據(jù)時，需要保證同一時刻有且只有一個線程在操作共享數(shù)據(jù)，其他線程必須等到該線程處理完數(shù)據(jù)后再進(jìn)行，這種方式有個高尚的名稱叫互斥鎖，即能達(dá)到互斥訪問目的的鎖，也就是說當(dāng)一個共享數(shù)據(jù)被當(dāng)前正在訪問的線程加上互斥鎖后，在同一個時刻，其他線程只能處于等待的狀態(tài)，直到當(dāng)前線程處理完畢釋放該鎖。
在 Java 中，關(guān)鍵字 synchronized可以保證在同一個時刻，只有一個線程可以執(zhí)行某個方法或者某個代碼塊(主要是對方法或者代碼塊中存在共享數(shù)據(jù)的操作)，同時我們還應(yīng)該注意到synchronized另外一個重要的作用，synchronized可保證一個線程的變化(主要是共享數(shù)據(jù)的變化)被其他線程所看到（保證可見性，完全可以替代volatile功能）。
3. synchronized的使用
下面三種本質(zhì)上都是鎖對象
3.1 修飾實(shí)例方法
作用于當(dāng)前實(shí)例，進(jìn)入同步代碼前需要先獲取實(shí)例的鎖
- 示例代碼：
public class SynchronizedDemo2 {
int num = 0;
public synchronized void add() {
// public void add() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
num++;
}
}
public static class AddDemo extends Thread {
private SynchronizedDemo2 synchronizedDemo2;
public AddDemo(SynchronizedDemo2 synchronizedDemo2) {
this.synchronizedDemo2 = synchronizedDemo2;
}
@Override
public void run() {
this.synchronizedDemo2.add();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 要想拿到臨界資源，就必須先獲得到這個對象的鎖。
SynchronizedDemo2 synchronizedDemo2 = new SynchronizedDemo2();
AddDemo addDemo1 = new AddDemo(synchronizedDemo2);
AddDemo addDemo2 = new AddDemo(synchronizedDemo2);
AddDemo addDemo3 = new AddDemo(synchronizedDemo2);
addDemo1.start();
addDemo2.start();
addDemo3.start();
// 阻塞主線程
addDemo1.join();
addDemo2.join();
addDemo3.join();
// 打印結(jié)果
System.out.println(synchronizedDemo2.num);
}
}- 打印：
期望結(jié)果：30000
無synchronized結(jié)果：23885
有synchronized結(jié)果：30000
synchronize作用于實(shí)例方法需要注意：
- 實(shí)例方法上加synchronized，線程安全的前提是，多個線程操作的是同一個實(shí)例，如果多個線程作用于不同的實(shí)例，那么線程安全是無法保證的
- 同一個實(shí)例的多個實(shí)例方法上有synchronized，這些方法都是互斥的，同一時間只允許一個線程操作同一個實(shí)例的其中的一個synchronized方法
3.2 修飾靜態(tài)方法
作用于類的Class對象，進(jìn)入修飾的靜態(tài)方法前需要先獲取類的Class對象的鎖
鎖定靜態(tài)方法需要通過類.class，或者直接在靜態(tài)方法上加上關(guān)鍵字。但是，類.class不能使用this來代替。
注：在同一個類加載器中，class是單例的，這也就能保證synchronized能夠只讓一個線程訪問臨界資源。
- 示例代碼：
public class SynchronizedDemo1 {
static int num = 0;
// 加上synchronized保證線程安全
public static synchronized void add() {
// public static void add() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
num++;
}
}
// 同上
public static void add1() {
synchronized (SynchronizedDemo1.class) {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
num++;
}
}
}
public static class AddDemo extends Thread {
@Override
public void run() {
SynchronizedDemo1.add();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
AddDemo addDemo1 = new AddDemo();
AddDemo addDemo2 = new AddDemo();
AddDemo addDemo3 = new AddDemo();
addDemo1.start();
addDemo2.start();
addDemo3.start();
// 阻塞主線程
addDemo1.join();
addDemo2.join();
addDemo3.join();
// 打印結(jié)果
System.out.println(SynchronizedDemo1.num);
}
}- 打印：
期望結(jié)果：30000
無synchronized結(jié)果：14207
有synchronized結(jié)果：30000
3.3 修飾代碼塊
需要指定加鎖對象(記做lockobj)，在進(jìn)入同步代碼塊前需要先獲取lockobj的鎖
若是this，相當(dāng)于修飾實(shí)例方法
- 示例代碼：
public class SynchronizedDemo3 {
private static Object lockobj = new Object();
private static int num = 0;
public static void add() {
synchronized (lockobj) {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
num++;
}
}
}
public static class AddDemo extends Thread {
@Override
public void run() {
SynchronizedDemo3.add();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
AddDemo addDemo1 = new AddDemo();
AddDemo addDemo2 = new AddDemo();
AddDemo addDemo3 = new AddDemo();
addDemo1.start();
addDemo2.start();
addDemo3.start();
// 阻塞主線程
addDemo1.join();
addDemo2.join();
addDemo3.join();
// 打印結(jié)果
System.out.println(SynchronizedDemo3.num);
}
}- 打印：
期望結(jié)果：30000
無synchronized結(jié)果：28278
有synchronized結(jié)果：> 示例代碼：
4. 分析代碼是否互斥
分析代碼是否互斥的方法，先找出synchronized作用的對象是誰，如果多個線程操作的方法中synchronized作用的鎖對象一樣，那么這些線程同時異步執(zhí)行這些方法就是互斥的。
- 示例代碼：
public class SynchronizedDemo4 {
// 作用于當(dāng)前類的實(shí)例對象
public synchronized void m1() {
}
// 作用于當(dāng)前類的實(shí)例對象
public synchronized void m2() {
}
// 作用于當(dāng)前類的實(shí)例對象
public void m3() {
synchronized (this) {
}
}
// 作用于當(dāng)前類Class對象
public static synchronized void m4() {
}
// 作用于當(dāng)前類Class對象
public static void m5() {
synchronized (SynchronizedDemo4.class) {
}
}
public static class T extends Thread {
SynchronizedDemo4 demo;
public T(SynchronizedDemo4 demo) {
this.demo = demo;
}
@Override
public void run() {
super.run();
}
}
public static void main(String[] args) {
SynchronizedDemo4 d1 = new SynchronizedDemo4();
Thread t1 = new Thread(() -> {
d1.m1();
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
d1.m2();
});
Thread t3 = new Thread(() -> {
d1.m3();
});
SynchronizedDemo4 d2 = new SynchronizedDemo4();
Thread t4 = new Thread(() -> {
d2.m2();
});
Thread t5 = new Thread(() -> {
SynchronizedDemo4.m4();
});
Thread t6 = new Thread(() -> {
SynchronizedDemo4.m5();
});
t1.start();
t2.start();
t3.start();
t4.start();
t5.start();
t6.start();
}
}結(jié)論：
- 線程t1、t2、t3中調(diào)用的方法都需要獲取d1的鎖，所以他們是互斥的
- t1/t2/t3這3個線程和t4不互斥，他們可以同時運(yùn)行，因?yàn)榍懊嫒齻€線程依賴于d1的鎖，t4依賴于d2的鎖
- t5、t6都作用于當(dāng)前類的Class對象鎖，所以這兩個線程是互斥的，和其他幾個線程不互斥
5. synchronized的可重入性
- 示例代碼：
public class SynchronizedDemo5 {
synchronized void method1() {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
method2();
System.out.println("method1 thread-" + Thread.currentThread().getName() + " end");
}
synchronized void method2() {
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println("method2 thread-" + Thread.currentThread().getName() + " end");
}
public static void main(String[] args) {
SynchronizedDemo5 t5 = new SynchronizedDemo5();
new Thread(t5::method1, "1").start();
new Thread(t5::method1, "2").start();
new Thread(t5::method1, "3").start();
}
}- 打?。?/li>
method2 thread-1 end
method1 thread-1 end
method2 thread-3 end
method1 thread-3 end
method2 thread-2 end
method1 thread-2 end
- 結(jié)論：
當(dāng)線程啟動的時候，已經(jīng)獲取了對象的鎖，等method1調(diào)用method2方法的時候，同樣是拿到了這個對象的鎖。所以synchronized是可重入的。
6. 發(fā)生異常synchronized會釋放鎖
- 示例代碼：
public class SynchronizedDemo6 {
int num = 0;
synchronized void add() {
System.out.println("thread" + Thread.currentThread().getName() + " start");
while (num <= 7) {
num++;
System.out.println("thread" + Thread.currentThread().getName() + ", num is " + num);
if (num == 3) {
throw new NullPointerException();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
SynchronizedDemo6 synchronizedDemo6 = new SynchronizedDemo6();
new Thread(synchronizedDemo6::add, "1").start();
Thread.sleep(1000);
new Thread(synchronizedDemo6::add, "2").start();
}
}打印：
thread1 start
thread1, num is 1
thread1, num is 2
thread1, num is 3
Exception in thread “1” java.lang.NullPointerException
at com.xin.demo.threaddemo.lockdemo.synchronizeddemo.SynchronizedDemo6.add(SynchronizedDemo6.java:14)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
thread2 start
thread2, num is 4
thread2, num is 5
thread2, num is 6
thread2, num is 7
thread2, num is 8
- 結(jié)論：
發(fā)生異常synchronized會釋放鎖
7. synchronized的實(shí)現(xiàn)原理與應(yīng)用（包含鎖的升級過程）
我的另一篇讀書筆記：Java并發(fā)機(jī)制的底層實(shí)現(xiàn)原理
鎖的升級過程：無鎖->偏向鎖->輕量級鎖->重量級鎖，詳細(xì)情況還是看上面這篇文章
- 無鎖
- 偏向鎖：在鎖對象的對象頭中記錄一下當(dāng)前獲取到該鎖的線程ID，該線程下次如果又來獲取該鎖就可以直接獲取到了，也就是支持鎖重入
- 輕量級鎖：當(dāng)兩個或以上線程交替獲取鎖，但并沒有在對象上并發(fā)的獲取鎖時，偏向鎖升級為輕量級鎖。在此階段，線程采取CAS的自旋方式嘗試獲取鎖，避免阻塞線程造成的CPU在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)間轉(zhuǎn)換的消耗。輕量級鎖時，CPU是用戶態(tài)。
- 重量級鎖：兩個或以上線程并發(fā)的在同一個對象上進(jìn)行同步時，為了避免無用自旋消耗CPU，輕量級鎖會升級成重量級鎖。重量級鎖時，CPU是內(nèi)核態(tài)。
總結(jié)
以上為個人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。
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