Java多线程系列--“基础篇”04之 synchronized关键字

概要

本章，会对synchronized关键字进行介绍。涉及到的内容包括：
1. synchronized原理
2. synchronized基本规则
3. synchronized方法 和 synchronized代码块
4. 实例锁 和 全局锁

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1. synchronized原理

在java中，每一个对象有且仅有一个同步锁。这也意味着，同步锁是依赖于对象而存在。
当我们调用某对象的synchronized方法时，就获取了该对象的同步锁。例如，synchronized(obj)就获取了“obj这个对象”的同步锁。
不同线程对同步锁的访问是互斥的。也就是说，某时间点，对象的同步锁只能被一个线程获取到！通过同步锁，我们就能在多线程中，实现对“对象/方法”的互斥访问。 例如，现在有两个线程A和线程B，它们都会访问“对象obj的同步锁”。假设，在某一时刻，线程A获取到“obj的同步锁”并在执行一些操作；而此时，线程B也企图获取“obj的同步锁” —— 线程B会获取失败，它必须等待，直到线程A释放了“该对象的同步锁”之后线程B才能获取到“obj的同步锁”从而才可以运行。

2. synchronized基本规则

我们将synchronized的基本规则总结为下面3条，并通过实例对它们进行说明。
第一条: 当一个线程访问“某对象”的“synchronized方法”或者“synchronized代码块”时，其他线程对“该对象”的该“synchronized方法”或者“synchronized代码块”的访问将被阻塞。
第二条: 当一个线程访问“某对象”的“synchronized方法”或者“synchronized代码块”时，其他线程仍然可以访问“该对象”的非同步代码块。
第三条: 当一个线程访问“某对象”的“synchronized方法”或者“synchronized代码块”时，其他线程对“该对象”的其他的“synchronized方法”或者“synchronized代码块”的访问将被阻塞。

第一条

当一个线程访问“某对象”的“synchronized方法”或者“synchronized代码块”时，其他线程对“该对象”的该“synchronized方法”或者“synchronized代码块”的访问将被阻塞。
下面是“synchronized代码块”对应的演示程序。

class MyRunable implements Runnable {
    
    @Override
    public void run() {
        synchronized(this) {
            try {  
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " loop " + i);  
                }
            } catch (InterruptedException ie) {  
            }
        }  
    }
}

public class Demo1_1 {

    public static void main(String[] args) {  
        Runnable demo = new MyRunable();     // 新建“Runnable对象”

        Thread t1 = new Thread(demo, "t1");  // 新建“线程t1”, t1是基于demo这个Runnable对象
        Thread t2 = new Thread(demo, "t2");  // 新建“线程t2”, t2是基于demo这个Runnable对象
        t1.start();                          // 启动“线程t1”
        t2.start();                          // 启动“线程t2” 
    } 
}

运行结果：

t1 loop 0
t1 loop 1
t1 loop 2
t1 loop 3
t1 loop 4
t2 loop 0
t2 loop 1
t2 loop 2
t2 loop 3
t2 loop 4

结果说明：
run()方法中存在“synchronized(this)代码块”，而且t1和t2都是基于"demo这个Runnable对象"创建的线程。这就意味着，我们可以将synchronized(this)中的this看作是“demo这个Runnable对象”；因此，线程t1和t2共享“demo对象的同步锁”。所以，当一个线程运行的时候，另外一个线程必须等待“运行线程”释放“demo的同步锁”之后才能运行。

如果你确认，你搞清楚这个问题了。那我们将上面的代码进行修改，然后再运行看看结果怎么样，看看你是否会迷糊。修改后的源码如下：

class MyThread extends Thread {
    
    public MyThread(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        synchronized(this) {
            try {  
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " loop " + i);  
                }
            } catch (InterruptedException ie) {  
            }
        }  
    }
}

public class Demo1_2 {

    public static void main(String[] args) {  
        Thread t1 = new MyThread("t1");  // 新建“线程t1”
        Thread t2 = new MyThread("t2");  // 新建“线程t2”
        t1.start();                          // 启动“线程t1”
        t2.start();                          // 启动“线程t2” 
    } 
}

代码说明：
比较Demo1_2 和 Demo1_1，我们发现，Demo1_2中的MyThread类是直接继承于Thread，而且t1和t2都是MyThread子线程。
幸运的是，在“Demo1_2的run()方法”也调用了synchronized(this)，正如“Demo1_1的run()方法”也调用了synchronized(this)一样！
那么，Demo1_2的执行流程是不是和Demo1_1一样呢？
运行结果：

t1 loop 0
t2 loop 0
t1 loop 1
t2 loop 1
t1 loop 2
t2 loop 2
t1 loop 3
t2 loop 3
t1 loop 4
t2 loop 4

结果说明：
如果这个结果一点也不令你感到惊讶，那么我相信你对synchronized和this的认识已经比较深刻了。否则的话，请继续阅读这里的分析。
synchronized(this)中的this是指“当前的类对象”，即synchronized(this)所在的类对应的当前对象。它的作用是获取“当前对象的同步锁”。
对于Demo1_2中，synchronized(this)中的this代表的是MyThread对象，而t1和t2是两个不同的MyThread对象，因此t1和t2在执行synchronized(this)时，获取的是不同对象的同步锁。对于Demo1_1对而言，synchronized(this)中的this代表的是MyRunable对象；t1和t2共同一个MyRunable对象，因此，一个线程获取了对象的同步锁，会造成另外一个线程等待。

第二条

当一个线程访问“某对象”的“synchronized方法”或者“synchronized代码块”时，其他线程仍然可以访问“该对象”的非同步代码块。
下面是“synchronized代码块”对应的演示程序。

class Count {

    // 含有synchronized同步块的方法
    public void synMethod() {
        synchronized(this) {
            try {  
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " synMethod loop " + i);  
                }
            } catch (InterruptedException ie) {  
            }
        }  
    }

    // 非同步的方法
    public void nonSynMethod() {
        try {  
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Thread.sleep(100);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " nonSynMethod loop " + i);  
            }
        } catch (InterruptedException ie) {  
        }
    }
}

public class Demo2 {

    public static void main(String[] args) {  
        final Count count = new Count();
        // 新建t1, t1会调用“count对象”的synMethod()方法
        Thread t1 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        count.synMethod();
                    }
                }, "t1");

        // 新建t2, t2会调用“count对象”的nonSynMethod()方法
        Thread t2 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        count.nonSynMethod();
                    }
                }, "t2");  


        t1.start();  // 启动t1
        t2.start();  // 启动t2
    } 
}

运行结果：

t1 synMethod loop 0
t2 nonSynMethod loop 0
t1 synMethod loop 1
t2 nonSynMethod loop 1
t1 synMethod loop 2
t2 nonSynMethod loop 2
t1 synMethod loop 3
t2 nonSynMethod loop 3
t1 synMethod loop 4
t2 nonSynMethod loop 4

结果说明：
主线程中新建了两个子线程t1和t2。t1会调用count对象的synMethod()方法，该方法内含有同步块；而t2则会调用count对象的nonSynMethod()方法，该方法不是同步方法。t1运行时，虽然调用synchronized(this)获取“count的同步锁”；但是并没有造成t2的阻塞，因为t2没有用到“count”同步锁。

第三条

当一个线程访问“某对象”的“synchronized方法”或者“synchronized代码块”时，其他线程对“该对象”的其他的“synchronized方法”或者“synchronized代码块”的访问将被阻塞。
我们将上面的例子中的nonSynMethod()方法体的也用synchronized(this)修饰。修改后的源码如下：

class Count {

    // 含有synchronized同步块的方法
    public void synMethod() {
        synchronized(this) {
            try {  
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " synMethod loop " + i);  
                }
            } catch (InterruptedException ie) {  
            }
        }  
    }

    // 也包含synchronized同步块的方法
    public void nonSynMethod() {
        synchronized(this) {
            try {  
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    Thread.sleep(100);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " nonSynMethod loop " + i);  
                }
            } catch (InterruptedException ie) {  
            }
        }
    }
}

public class Demo3 {

    public static void main(String[] args) {  
        final Count count = new Count();
        // 新建t1, t1会调用“count对象”的synMethod()方法
        Thread t1 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        count.synMethod();
                    }
                }, "t1");

        // 新建t2, t2会调用“count对象”的nonSynMethod()方法
        Thread t2 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        count.nonSynMethod();
                    }
                }, "t2");  


        t1.start();  // 启动t1
        t2.start();  // 启动t2
    } 
}

运行结果：

t1 synMethod loop 0
t1 synMethod loop 1
t1 synMethod loop 2
t1 synMethod loop 3
t1 synMethod loop 4
t2 nonSynMethod loop 0
t2 nonSynMethod loop 1
t2 nonSynMethod loop 2
t2 nonSynMethod loop 3
t2 nonSynMethod loop 4

结果说明：
主线程中新建了两个子线程t1和t2。t1和t2运行时都调用synchronized(this)，这个this是Count对象(count)，而t1和t2共用count。因此，在t1运行时，t2会被阻塞，等待t1运行释放“count对象的同步锁”，t2才能运行。

 

3. synchronized方法 和 synchronized代码块

“synchronized方法”是用synchronized修饰方法，而 “synchronized代码块”则是用synchronized修饰代码块。

synchronized方法示例

public synchronized void foo1() {
    System.out.println("synchronized methoed");
}

synchronized代码块

public void foo2() {
    synchronized (this) {
        System.out.println("synchronized methoed");
    }
}

synchronized代码块中的this是指当前对象。也可以将this替换成其他对象，例如将this替换成obj，则foo2()在执行synchronized(obj)时就获取的是obj的同步锁。

synchronized代码块可以更精确的控制冲突限制访问区域，有时候表现更高效率。下面通过一个示例来演示：

// Demo4.java的源码
public class Demo4 {

    public synchronized void synMethod() {
        for(int i=0; i<1000000; i++)
            ;
    }

    public void synBlock() {
        synchronized( this ) {
            for(int i=0; i<1000000; i++)
                ;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Demo4 demo = new Demo4();

        long start, diff;
        start = System.currentTimeMillis();                // 获取当前时间(millis)
        demo.synMethod();                                // 调用“synchronized方法”
        diff = System.currentTimeMillis() - start;        // 获取“时间差值”
        System.out.println("synMethod() : "+ diff);
        
        start = System.currentTimeMillis();                // 获取当前时间(millis)
        demo.synBlock();                                // 调用“synchronized方法块”
        diff = System.currentTimeMillis() - start;        // 获取“时间差值”
        System.out.println("synBlock()  : "+ diff);
    }
}

(某一次)执行结果：

synMethod() : 11
synBlock() : 3

4. 实例锁 和 全局锁

实例锁 -- 锁在某一个实例对象上。如果该类是单例，那么该锁也具有全局锁的概念。
               实例锁对应的就是synchronized关键字。
全局锁 -- 该锁针对的是类，无论实例多少个对象，那么线程都共享该锁。
               全局锁对应的就是static synchronized（或者是锁在该类的class或者classloader对象上）。

关于“实例锁”和“全局锁”有一个很形象的例子：

pulbic class Something {
    public synchronized void isSyncA(){}
    public synchronized void isSyncB(){}
    public static synchronized void cSyncA(){}
    public static synchronized void cSyncB(){}
}

假设，Something有两个实例x和y。分析下面4组表达式获取的锁的情况。
(01) x.isSyncA()与x.isSyncB()
(02) x.isSyncA()与y.isSyncA()
(03) x.cSyncA()与y.cSyncB()
(04) x.isSyncA()与Something.cSyncA()

(01) 不能被同时访问。因为isSyncA()和isSyncB()都是访问同一个对象(对象x)的同步锁！

// LockTest1.java的源码
class Something {
    public synchronized void isSyncA(){
        try {  
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : isSyncA");
            }
        }catch (InterruptedException ie) {  
        }  
    }
    public synchronized void isSyncB(){
        try {  
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : isSyncB");
            }
        }catch (InterruptedException ie) {  
        }  
    }
}

public class LockTest1 {

    Something x = new Something();
    Something y = new Something();

    // 比较(01) x.isSyncA()与x.isSyncB() 
    private void test1() {
        // 新建t11, t11会调用 x.isSyncA()
        Thread t11 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        x.isSyncA();
                    }
                }, "t11");

        // 新建t12, t12会调用 x.isSyncB()
        Thread t12 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        x.isSyncB();
                    }
                }, "t12");  


        t11.start();  // 启动t11
        t12.start();  // 启动t12
    }

    public static void main(String[] args) {
        LockTest1 demo = new LockTest1();
        demo.test1();
    }
}

运行结果：

t11 : isSyncA
t11 : isSyncA
t11 : isSyncA
t11 : isSyncA
t11 : isSyncA
t12 : isSyncB
t12 : isSyncB
t12 : isSyncB
t12 : isSyncB
t12 : isSyncB

(02) 可以同时被访问。因为访问的不是同一个对象的同步锁，x.isSyncA()访问的是x的同步锁，而y.isSyncA()访问的是y的同步锁。

// LockTest2.java的源码
class Something {
    public synchronized void isSyncA(){
        try {  
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : isSyncA");
            }
        }catch (InterruptedException ie) {  
        }  
    }
    public synchronized void isSyncB(){
        try {  
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : isSyncB");
            }
        }catch (InterruptedException ie) {  
        }  
    }
    public static synchronized void cSyncA(){
        try {  
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : cSyncA");
            } 
        }catch (InterruptedException ie) {  
        }  
    }
    public static synchronized void cSyncB(){
        try {  
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : cSyncB");
            } 
        }catch (InterruptedException ie) {  
        }  
    }
}

public class LockTest2 {

    Something x = new Something();
    Something y = new Something();

    // 比较(02) x.isSyncA()与y.isSyncA()
    private void test2() {
        // 新建t21, t21会调用 x.isSyncA()
        Thread t21 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        x.isSyncA();
                    }
                }, "t21");

        // 新建t22, t22会调用 x.isSyncB()
        Thread t22 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        y.isSyncA();
                    }
                }, "t22");  


        t21.start();  // 启动t21
        t22.start();  // 启动t22
    }

    public static void main(String[] args) {
        LockTest2 demo = new LockTest2();

        demo.test2();
    }
}

运行结果：

t21 : isSyncA
t22 : isSyncA
t21 : isSyncA
t22 : isSyncA
t21 : isSyncA
t22 : isSyncA
t21 : isSyncA
t22 : isSyncA
t21 : isSyncA
t22 : isSyncA

(03) 不能被同时访问。因为cSyncA()和cSyncB()都是static类型，x.cSyncA()相当于Something.isSyncA()，y.cSyncB()相当于Something.isSyncB()，因此它们共用一个同步锁，不能被同时反问。

// LockTest3.java的源码
class Something {
    public synchronized void isSyncA(){
        try {  
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : isSyncA");
            }
        }catch (InterruptedException ie) {  
        }  
    }
    public synchronized void isSyncB(){
        try {  
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : isSyncB");
            }
        }catch (InterruptedException ie) {  
        }  
    }
    public static synchronized void cSyncA(){
        try {  
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : cSyncA");
            } 
        }catch (InterruptedException ie) {  
        }  
    }
    public static synchronized void cSyncB(){
        try {  
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : cSyncB");
            } 
        }catch (InterruptedException ie) {  
        }  
    }
}

public class LockTest3 {

    Something x = new Something();
    Something y = new Something();

    // 比较(03) x.cSyncA()与y.cSyncB()
    private void test3() {
        // 新建t31, t31会调用 x.isSyncA()
        Thread t31 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        x.cSyncA();
                    }
                }, "t31");

        // 新建t32, t32会调用 x.isSyncB()
        Thread t32 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        y.cSyncB();
                    }
                }, "t32");  


        t31.start();  // 启动t31
        t32.start();  // 启动t32
    }

    public static void main(String[] args) {
        LockTest3 demo = new LockTest3();

        demo.test3();
    }
}

运行结果：

t31 : cSyncA
t31 : cSyncA
t31 : cSyncA
t31 : cSyncA
t31 : cSyncA
t32 : cSyncB
t32 : cSyncB
t32 : cSyncB
t32 : cSyncB
t32 : cSyncB

(04) 可以被同时访问。因为isSyncA()是实例方法，x.isSyncA()使用的是对象x的锁；而cSyncA()是静态方法，Something.cSyncA()可以理解对使用的是“类的锁”。因此，它们是可以被同时访问的。

// LockTest4.java的源码
class Something {
    public synchronized void isSyncA(){
        try {  
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : isSyncA");
            }
        }catch (InterruptedException ie) {  
        }  
    }
    public synchronized void isSyncB(){
        try {  
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : isSyncB");
            }
        }catch (InterruptedException ie) {  
        }  
    }
    public static synchronized void cSyncA(){
        try {  
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : cSyncA");
            } 
        }catch (InterruptedException ie) {  
        }  
    }
    public static synchronized void cSyncB(){
        try {  
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : cSyncB");
            } 
        }catch (InterruptedException ie) {  
        }  
    }
}

public class LockTest4 {

    Something x = new Something();
    Something y = new Something();

    // 比较(04) x.isSyncA()与Something.cSyncA()
    private void test4() {
        // 新建t41, t41会调用 x.isSyncA()
        Thread t41 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        x.isSyncA();
                    }
                }, "t41");

        // 新建t42, t42会调用 x.isSyncB()
        Thread t42 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        Something.cSyncA();
                    }
                }, "t42");  


        t41.start();  // 启动t41
        t42.start();  // 启动t42
    }

    public static void main(String[] args) {
        LockTest4 demo = new LockTest4();

        demo.test4();
    }
}

运行结果：

t41 : isSyncA
t42 : cSyncA
t41 : isSyncA
t42 : cSyncA
t41 : isSyncA
t42 : cSyncA
t41 : isSyncA
t42 : cSyncA
t41 : isSyncA
t42 : cSyncA

  

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更多内容 

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