Java synchronized的原理解析
2024-10-21 07:26:20
开始
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
总结一下我们的结论：
- 任何对象实例都有一把内部锁，只有一把。
- 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：
- 一个类的实例，可能被多个线程并发访问，才考虑同步控制。
- 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。
- 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：
- 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
- 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
- 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。
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