Java synchronized 多線程同步問題詳解

Eidesen 發(fā)布于2019-08-16 10:31 / 2116人閱讀

摘要：同步代碼塊二類，鎖是小括號(hào)中的類對(duì)象對(duì)象。因?yàn)閷?duì)于同一個(gè)實(shí)例對(duì)象，各線程之間訪問其中的同步方法是互斥的。優(yōu)化同步代碼塊的方式有，減少同步區(qū)域或減小鎖的范圍。

版權(quán)聲明：本文由吳仙杰創(chuàng)作整理，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處：https://segmentfault.com/a/1190000009225706

1. 引言

在 Java 多線程編程中，我們常需要考慮線程安全問題，其中關(guān)鍵字 synchronized 在線程同步中就扮演了非常重要的作用。

下面就對(duì) synchronized 進(jìn)行詳細(xì)的示例講解，其中本文構(gòu)建 thread 的寫法是采用 Java 8 新增的 Lambda 表達(dá)式。如果你對(duì) Lambda 表達(dá)式還不了解，可以查看我之前的文章《Java 8 Lambda 表達(dá)式詳解》。

2. synchronized 鎖的是什么

首先我們明確一點(diǎn)，synchronized 鎖的不是代碼，鎖的都是對(duì)象。

鎖的對(duì)象有以下幾種：

同步非靜態(tài)方法（synchronized method），鎖是當(dāng)前對(duì)象的實(shí)例對(duì)象。

同步靜態(tài)方法（synchronized static method），鎖是當(dāng)前對(duì)象的類對(duì)象（Class 對(duì)象）。

同步代碼塊一（synchronized (this)，synchronized (類實(shí)例對(duì)象)），鎖是小括號(hào) () 中的實(shí)例對(duì)象。

同步代碼塊二（synchronized (類.class)），鎖是小括號(hào) () 中的類對(duì)象（Class 對(duì)象）。

2.1 實(shí)例對(duì)象鎖與類對(duì)象鎖

1）實(shí)例對(duì)象鎖，不同的實(shí)例擁有不同的實(shí)例對(duì)象鎖，所以對(duì)于同一個(gè)實(shí)例對(duì)象，在同一時(shí)刻只有一個(gè)線程可以訪問這個(gè)實(shí)例對(duì)象的同步方法；不同的實(shí)例對(duì)象，不能保證多線程的同步操作。

2）類對(duì)象鎖（全局鎖），在 JVM 中一個(gè)類只有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的類對(duì)象，所以在同一時(shí)刻只有一個(gè)線程可以訪問這個(gè)類的同步方法。

3. 示例分析 3.1 同步非靜態(tài)實(shí)例方法

同步非靜態(tài)方法，實(shí)際上鎖定的是當(dāng)前對(duì)象的實(shí)例對(duì)象。在同一時(shí)刻只有一個(gè)線程可以訪問該實(shí)例的同步方法，但對(duì)于多個(gè)實(shí)例的同步方法，不同實(shí)例之間對(duì)同步方法的訪問是不受同步影響（synchronized 同步失效）。

首先我們嘗試下，synchronized 同步失敗的情況：

package com.wuxianjiezh.demo.threadpool;

public class MainTest {

    public static void main(String[] args) {
        Bank xMBank = new Bank();
        Bank xGBank = new Bank();
        Bank xHBank = new Bank();
        Thread xMThread = new Thread(() -> xMBank.deposit(xMBank, 200), "小明");
        Thread xGThread = new Thread(() -> xGBank.deposit(xGBank, 200), "小剛");
        Thread xHThread = new Thread(() -> xHBank.deposit(xHBank, 200), "小紅");
        xMThread.start();
        xGThread.start();
        xHThread.start();
    }
}

class Bank {

    private int money = 1000;

    public synchronized void deposit(Bank bank, int money) {
        // synchronized (this) { // 同步方法塊（實(shí)例對(duì)象）
        // synchronized (bank) { // 同步方法塊（實(shí)例對(duì)象）
            String threadName = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println(threadName + "--當(dāng)前銀行余額為：" + this.money);
            this.money += money;
            System.out.println(threadName + "--存入后銀行余額為：" + this.money);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        // }
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：

小明--當(dāng)前銀行余額為：1000
小剛--當(dāng)前銀行余額為：1000
小明--存入后銀行余額為：1200
小紅--當(dāng)前銀行余額為：1000
小剛--存入后銀行余額為：1200
小紅--存入后銀行余額為：1200

從上面的運(yùn)行結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)對(duì) Bank 中 money 的操作并沒有同步，synchronized 失效了？

這是因?yàn)閷?shí)例對(duì)象鎖，只對(duì)同一個(gè)實(shí)例生效，對(duì)同一個(gè)對(duì)象的不同實(shí)例不保證同步。

修改上述代碼，實(shí)現(xiàn)同步操作。這里將有兩種方案：只實(shí)例化一個(gè)或在方法塊中的鎖定類對(duì)象。

方案一、多個(gè)線程只對(duì)同一個(gè)實(shí)例對(duì)象操作：

package com.wuxianjiezh.demo.threadpool;

public class MainTest {

    public static void main(String[] args) {
        Bank xMBank = new Bank();
        // Bank xGBank = new Bank();
        // Bank xHBank = new Bank();
        Thread xMThread = new Thread(() -> xMBank.deposit(xMBank, 200), "小明");
        Thread xGThread = new Thread(() -> xMBank.deposit(xMBank, 200), "小剛");
        Thread xHThread = new Thread(() -> xMBank.deposit(xMBank, 200), "小紅");
        xMThread.start();
        xGThread.start();
        xHThread.start();
    }
}

class Bank {

    private int money = 1000;

    public synchronized void deposit(Bank bank, int money) {
        // synchronized (this) { // 同步方法塊（實(shí)例對(duì)象）
        // synchronized (bank) { // 同步方法塊（實(shí)例對(duì)象）
            String threadName = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println(threadName + "--當(dāng)前銀行余額為：" + this.money);
            this.money += money;
            System.out.println(threadName + "--存入后銀行余額為：" + this.money);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        // }
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：

小明--當(dāng)前銀行余額為：1000
小明--存入后銀行余額為：1200
小紅--當(dāng)前銀行余額為：1200
小紅--存入后銀行余額為：1400
小剛--當(dāng)前銀行余額為：1400
小剛--存入后銀行余額為：1600
...

可以看到，結(jié)果正確執(zhí)行。因?yàn)閷?duì)于同一個(gè)實(shí)例對(duì)象，各線程之間訪問其中的同步方法是互斥的。

方案二、在方法塊中鎖定類對(duì)象：

package com.wuxianjiezh.demo.threadpool;

public class MainTest {

    public static void main(String[] args) {
        Bank xMBank = new Bank();
        Bank xGBank = new Bank();
        Bank xHBank = new Bank();
        Thread xMThread = new Thread(() -> xMBank.deposit(xMBank, 200), "小明");
        Thread xGThread = new Thread(() -> xGBank.deposit(xGBank, 200), "小剛");
        Thread xHThread = new Thread(() -> xHBank.deposit(xHBank, 200), "小紅");
        xMThread.start();
        xGThread.start();
        xHThread.start();
    }
}

class Bank {

    private int money = 1000;

    public void deposit(Bank bank, int money) {
        synchronized (Bank.class) { // 全局鎖
            String threadName = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println(threadName + "--當(dāng)前銀行余額為：" + this.money);
            this.money += money;
            System.out.println(threadName + "--存入后銀行余額為：" + this.money);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：

小明--當(dāng)前銀行余額為：1000
小明--存入后銀行余額為：1200
小紅--當(dāng)前銀行余額為：1000
小紅--存入后銀行余額為：1200
小剛--當(dāng)前銀行余額為：1000
小剛--存入后銀行余額為：1200

思考：從結(jié)果中我們發(fā)現(xiàn)，線程是同步操作了，但為什么在我們的 money 怎么才 1200 啊？

要回答上面問題也很簡(jiǎn)單，首先線程是同步操作了，這個(gè)沒有疑問，說明我們的全局鎖生效了，那為什么錢少了，因?yàn)槲覀冞@里 mew 了三個(gè)對(duì)象，三個(gè)對(duì)象都有各自的 money，他們并不共享，所以最后都是 1200，最終一共還是增加了 6000，錢一點(diǎn)沒有少喔。

那有沒有辦法，讓這些線程間共享 money 呢？方法很簡(jiǎn)單，只要設(shè)置 money 為 static 即可。

3.1.1 對(duì)同步代碼塊優(yōu)化的思考

對(duì)于一個(gè)方法，可能包含多個(gè)操作部分，而每個(gè)操作部分的消耗各不相同，而且并不是所有的操作都是需要同步控制的，那么，是否可以將那些影響效率，又不需要同步操作的內(nèi)容，提取到同步代碼塊外呢？

請(qǐng)看以下示例：

package com.wuxianjiezh.demo.threadpool;

public class MainTest {

    public static void main(String[] args) {
        Bank xMBank = new Bank();
        Bank xGBank = new Bank();
        Bank xHBank = new Bank();
        Thread xMThread = new Thread(() -> xMBank.deposit(xMBank, 200), "小明");
        Thread xGThread = new Thread(() -> xGBank.deposit(xGBank, 200), "小剛");
        Thread xHThread = new Thread(() -> xHBank.deposit(xHBank, 200), "小紅");
        xMThread.start();
        xGThread.start();
        xHThread.start();
    }
}

class Bank {

    private int money = 1000;

    public void deposit(Bank bank, int money) {
        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        synchronized (Bank.class) { // 同步方法塊（實(shí)例對(duì)象）
            System.out.println(threadName + "--當(dāng)前銀行余額為：" + this.money);
            this.money += money;
            System.out.println(threadName + "--存入后銀行余額為：" + this.money);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        try {
            // 假設(shè)這里是非常耗時(shí)，并且不需要同步控制的操作
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println(threadName + "--和錢無(wú)關(guān)，不需要同步控制的操作");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：

小明--當(dāng)前銀行余額為：1000
小明--存入后銀行余額為：1200
小紅--當(dāng)前銀行余額為：1000
小紅--存入后銀行余額為：1200
小剛--當(dāng)前銀行余額為：1000
小剛--存入后銀行余額為：1200
小明--和錢無(wú)關(guān)，不需要同步控制的操作
小紅--和錢無(wú)關(guān)，不需要同步控制的操作
小剛--和錢無(wú)關(guān)，不需要同步控制的操作

這時(shí)發(fā)現(xiàn)，各線程雖然都有自己的實(shí)例化對(duì)象，但其中操作 money 的部分是同步的，對(duì)于與 money 無(wú)關(guān)的操作則又是異步的。

結(jié)論：可以通過減少同步區(qū)域來優(yōu)化同步代碼塊。

3.1.2 對(duì)同步代碼塊優(yōu)化的思考（進(jìn)階）

我們知道同步的對(duì)象不是實(shí)例對(duì)象就是類對(duì)象。現(xiàn)在假設(shè)一個(gè)類有多個(gè)同步方法，那么當(dāng)某個(gè)線程進(jìn)入其中一個(gè)同步方法時(shí)，這個(gè)類的其它同步方法也會(huì)被鎖住，造成其它與當(dāng)前鎖定操作的同步方法毫無(wú)關(guān)系的同步方法也被鎖住，最后的結(jié)果就是影響了整個(gè)多線程執(zhí)行的性能，使原本不需要互斥的方法也都進(jìn)行了互斥操作。比如：

package com.wuxianjiezh.demo.threadpool;

public class MainTest {

    public static void main(String[] args) {
        Bank xMBank = new Bank();
        Thread xMThread = new Thread(() -> xMBank.deposit(xMBank, 200), "小明");
        Thread xGThread = new Thread(xMBank::showInfo, "小剛");
        xMThread.start();
        xGThread.start();
    }
}

class Bank {

    private int money = 1000;

    public void deposit(Bank bank, int money) {
        long begin = System.currentTimeMillis();

        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        synchronized (this) { // 同步方法塊（實(shí)例對(duì)象）
            this.money += money;
            try {
                System.out.println(threadName + "--當(dāng)前銀行余額為：" + this.money);
                // 模擬一個(gè)非常耗時(shí)的操作
                Thread.sleep(5000);
                System.out.println(threadName + "--存入后銀行余額為：" + this.money);

                long end = System.currentTimeMillis();
                System.out.println(threadName + "--存入耗時(shí)：" + (end - begin));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    /**
     * 一個(gè)與資金操作沒有任務(wù)關(guān)系的同步方法
     */
    public void showInfo() {
        long begin = System.currentTimeMillis();

        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        synchronized (this) {
            try {
                System.out.println(threadName + "--開始查看銀行信息");
                Thread.sleep(5000);
                System.out.println(threadName + "--銀行詳細(xì)信息...");

                long end = System.currentTimeMillis();
                System.out.println(threadName + "--查看耗時(shí)：" + (end - begin));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：

小明--當(dāng)前銀行余額為：1200
小明--存入后銀行余額為：1200
小明--存入耗時(shí)：5000
小剛--開始查看銀行信息
小剛--銀行詳細(xì)信息...
小剛--查看耗時(shí)：10000

從運(yùn)行結(jié)果中，我們看到小剛這個(gè)線程平白無(wú)故多等了 5 秒鐘，嚴(yán)重影響了線程性能。

針對(duì)上面的情況，我們可以采用多個(gè)實(shí)例對(duì)象鎖的方案解決，比如：

package com.wuxianjiezh.demo.threadpool;

public class MainTest {

    public static void main(String[] args) {
        Bank xMBank = new Bank();
        Thread xMThread = new Thread(() -> xMBank.deposit(xMBank, 200), "小明");
        Thread xGThread = new Thread(xMBank::showInfo, "小剛");
        xMThread.start();
        xGThread.start();
    }
}

class Bank {

    private int money = 1000;

    private final Object syncDeposit = new Object(); // 同步鎖
    private final Object syncShowInfo = new Object(); // 同步鎖

    public void deposit(Bank bank, int money) {
        long begin = System.currentTimeMillis();

        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        synchronized (this.syncDeposit) { // 同步方法塊（實(shí)例對(duì)象）
            this.money += money;
            try {
                System.out.println(threadName + "--當(dāng)前銀行余額為：" + this.money);
                // 模擬一個(gè)非常耗時(shí)的操作
                Thread.sleep(5000);
                System.out.println(threadName + "--存入后銀行余額為：" + this.money);

                long end = System.currentTimeMillis();
                System.out.println(threadName + "--存入耗時(shí)：" + (end - begin));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    /**
     * 一個(gè)與資金操作沒有任務(wù)關(guān)系的同步方法
     */
    public void showInfo() {
        long begin = System.currentTimeMillis();

        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        synchronized (this.syncShowInfo) {
            try {
                System.out.println(threadName + "--開始查看銀行信息");
                Thread.sleep(5000);
                System.out.println(threadName + "--銀行詳細(xì)信息...");

                long end = System.currentTimeMillis();
                System.out.println(threadName + "--查看耗時(shí)：" + (end - begin));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：

小剛--開始查看銀行信息
小明--當(dāng)前銀行余額為：1200
小剛--銀行詳細(xì)信息...
小明--存入后銀行余額為：1200
小明--存入耗時(shí)：5000
小剛--查看耗時(shí)：5000

我們發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)線程間同步被取消了，性能問題也解決了。

總結(jié)：可以創(chuàng)建不同同步方法的不同同步鎖（減小鎖的范圍）來優(yōu)化同步代碼塊。

3.2 同步靜態(tài)方法

同步靜態(tài)方法，鎖的是類對(duì)象而不是某個(gè)實(shí)例對(duì)象，所以可以理解為對(duì)于靜態(tài)方法的鎖是全局的鎖，同步也是全局的同步。

package com.wuxianjiezh.demo.threadpool;

public class MainTest {

    public static void main(String[] args) {
        Bank xMBank = new Bank();
        Bank xGBank = new Bank();
        Bank xHBank = new Bank();
        Thread xMThread = new Thread(() -> xMBank.deposit(xMBank, 200), "小明");
        Thread xGThread = new Thread(() -> xGBank.deposit(xGBank, 200), "小剛");
        Thread xHThread = new Thread(() -> xHBank.deposit(xHBank, 200), "小紅");
        xMThread.start();
        xGThread.start();
        xHThread.start();
    }
}

class Bank {

    private static int money = 1000;

    public synchronized static void deposit(Bank bank, int money) {
        // synchronized (Bank.class) { // 全局鎖
        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        System.out.println(threadName + "--當(dāng)前銀行余額為：" + Bank.money);
        Bank.money += money;
        System.out.println(threadName + "--存入后銀行余額為：" + Bank.money);
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // }
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：

小明--當(dāng)前銀行余額為：1000
小明--存入后銀行余額為：1200
小紅--當(dāng)前銀行余額為：1200
小紅--存入后銀行余額為：1400
小剛--當(dāng)前銀行余額為：1400
小剛--存入后銀行余額為：1600

4. 總結(jié)

同步鎖 synchronized 要點(diǎn)：

synchronized 鎖的不是代碼，鎖的都是對(duì)象。

實(shí)例對(duì)象鎖：同步非靜態(tài)方法（synchronized method），同步代碼塊（synchronized (this)，synchronized (類實(shí)例對(duì)象)）。

類對(duì)象（Class 對(duì)象）鎖：同步靜態(tài)方法（synchronized static method），同步代碼塊（synchronized (類.class)）。

相同對(duì)象的不同的實(shí)例擁有不同的實(shí)例對(duì)象鎖，但類對(duì)象鎖（全局鎖）有僅只有一個(gè)。

優(yōu)化同步代碼塊的方式有，減少同步區(qū)域或減小鎖的范圍。

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