Java synchronized的原理解析

开始

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类有一个特性叫封装，如果一个类，所有的field都是private的，而且没有任何的method，那么这个类就像是四面围墙+天罗地网，没有门。看起来就是一个封闭的箱子，外面的进不来，里面的出不去，一般来说，这样的类是没用的。

现在为这个类定义一个public的method，这个method能够修改这个类的field，相当于为这个箱子开了一个门。门有了，然后访问者就有了，当一个时间段，有多个访问者进来，就可能会发生并发问题。

 

并发问题是个什么问题？最经典的例子就是转账，一个访问者从账户A扣取一部分金额，加到账户B上。在A账户扣取之后，B账户转入之前，数据处于不一致的状态，另一个访问者如果在这个时候访问B账户，获取的数据就是有问题的。这就是并发问题，导致这个问题的出现基于2个条件：1.访问者的操作导致数据在一段时间内是不一致的；2.可以有多个访问者同时操作。如果能够破坏其中一个条件，就可以解决并发问题了。我们的关注点是在第2个条件上。

 

回到那个箱子，回到那个门。我们设想为这个门加一把锁，一个访问者进了这个门，就上锁，期间其他访问者不能再进来；等进去的访问者出来，锁打开，允许另一个访问者进去。

1. 给一个代码块上锁

synchronized可以上锁、解锁。但是它本身并不是锁，它使用的锁来自于一个对象：任何对象实例都有一把内部锁，只有一把。synchronized不仅仅可以对整个method上锁，还可以对method内的某个代码块上锁。

比如下面这种用法：

synchronized(obj){
    // some code...
}

这个用法就是使用了obj的锁，来锁定一个代码块。

对整个方法上锁，如：

publicsynchronizedvoid aMethod(){
    // some code...
}

这个时候它使用的是当前实例this的锁，相当于下面的模式：

publicvoid aMethod(){
    synchronized(this){
        // some code...
    }
}

2. 两个代码块的互斥

一个代码块，被上了锁，就无法同时接纳多个线程的访问。如果是2个不同的代码块，都被上了锁，它们之间是否会有影响呢？请看下面的代码：

class SyncData {
    public void do1() {
        synchronized(this) {
            for (int i=0; i < 4; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-do1-" + i);
                try{
                    Thread.sleep(1000);
                }catch(InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
        
    }
    
    public void do2() {
        synchronized(this) {
            for (int i=0; i < 4; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-do2-" + i);
                try{
                    Thread.sleep(1000);
                }catch(InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

创建1个SyncData的实例，开启2个线程，一个线程调用实例的do1方法，另一个线程调用实例的do2方法，你会看到他们之间是互斥的——即使2个线程访问的是实例的不同的方法，依然不能同时访问。因为决定是否可以同时访问的不再是门，而是锁。只要使用的是相同的对象锁，就会互斥访问。

上文中关于门的比喻已经不合适了，因为在代码中你可以发现两个门（do1、do2）使用了同一把锁（this），而这和我们的常识经验是相违背的，下文也不会再出现“门”。

3. 锁的识别

可以使用任何对象的锁，比如你可以专门创建一个对象，只提供锁的功能：

class SyncData {
    private Object lock = new byte[0];
    
    public void do1() {
        synchronized(lock) {
            for (int i=0; i < 4; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-do1-" + i);
                try{
                    Thread.sleep(1000);
                }catch(InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

思考下面的代码是否能起到互斥访问的作用：

class SyncData {
    public void do1() {
        Object lock = new byte[0];
        synchronized(lock) {
            for (int i=0; i < 4; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-do1-" + i);
                try{
                    Thread.sleep(1000);
                }catch(InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

这个是不能起到互斥作用的，因为每一次调用，局部变量lock都是不同的实例。也就是说，synchronized使用的锁总是变化的。所以我们再补充一点：只有使用相同的对象锁，才能互斥访问。所以识别所使用的锁，是很重要的。

 

下面再看一段代码：

class SyncData {
    public void do1() {
        synchronized(this) {
            for (int i=0; i < 4; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-do1-" + i);
                try{
                    Thread.sleep(1000);
                }catch(InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
        
    }
}

创建2个实例，分别交给2个线程中的1个去访问，能互斥吗？

不可以，因为每一个实例使用的都是自身的锁，相互之间是不同的锁，所以不能互斥。如果把代码改成这样呢：

class SyncData {
    public void do1() {
        synchronized(this.getClass()) {
            for (int i=0; i < 4; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-do1-" + i);
                try{
                    Thread.sleep(1000);
                }catch(InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
        
    }
}

可以互斥，不管一个类有多少个实例，它们调用getClass()返回的结果都是同一个实例。

讨论这个问题，是因为可以在static的method上使用synchronized，而其本质，就是使用了上面那种实例的锁，所以不同的synchronized static方法之间，也是互斥的。

总结

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总结一下我们的结论：

1. 任何对象实例都有一把内部锁，只有一把。
2. 相同的对象锁是互斥访问的充要条件。

这2个结论已经够了，重要的是识别使用的对象的锁是不是相同的。

 

多线程设计，考虑同步问题，我有几点想法：

1. 一个类的实例，可能被多个线程并发访问，才考虑同步控制。
2. 在1的前提下，只有会导致数据状态出现一段时间的不一致，相关的代码片段才需要同步控制。
3. 在2的前提下，只有两块代码会相互干扰时，才必须使用同一把对象锁，来实现互斥；如果相互之间没有影响，建议使用不同的对象锁，以保持并发性能。

当然，在判断“数据状态是否会不一致”、“两块代码是否有干扰”的时候，是比较困难的，所以再补充2点：

1. 在不能确认数据状态是否会不一致的情况下，按照会不一致的情况考虑
2. 在不能确认两块代码是否有干扰的情况下，按照会有干扰的情况考虑

我们的讨论到此结束。

 

参考

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1. Java中Synchronized的用法
   介绍了使用synchronized的几种方式，以及相互的区别，写的很好，建议也看一下，相互印证。