Java中线程同步的理解

我们可以在计算机上运行各种计算机软件程序。每一个运行的程序可能包括多个独立运行的线程（Thread）。 
线程（Thread）是一份独立运行的程序，有自己专用的运行栈。线程有可能和其他线程共享一些资源，比如，内存，文件，数据库等。 
当多个线程同时读写同一份共享资源的时候，可能会引起冲突。这时候，我们需要引入线程“同步”机制，即各位线程之间要有个先来后到，不能一窝蜂挤上去抢作一团。 
同步这个词是从英文synchronize（使同时发生）翻译过来的。我也不明白为什么要用这个很容易引起误解的词。既然大家都这么用，咱们也就只好这么将就。 
线程同步的真实意思和字面意思恰好相反。线程同步的真实意思，其实是“排队”：几个线程之间要排队，一个一个对共享资源进行操作，而不是同时进行操作。

因此，关于线程同步，需要牢牢记住的第一点是：线程同步就是线程排队。同步就是排队。线程同步的目的就是避免线程“同步”执行。这可真是个无聊的绕口令。
关于线程同步，需要牢牢记住的第二点是 “共享”这两个字。只有共享资源的读写访问才需要同步。如果不是共享资源，那么就根本没有同步的必要。
同步锁:

前面讲了为什么要线程同步，下面我们就来看如何才能线程同步。 
线程同步的基本实现思路还是比较容易理解的。我们可以给共享资源加一把锁，这把锁只有一把钥匙。哪个线程获取了这把钥匙，才有权利访问该共享资源。
线程同步锁这个模型看起来很直观。但是，还有一个严峻的问题没有解决，这个同步锁应该加在哪里？ 
当然是加在共享资源上了。反应快的读者一定会抢先回答。 
没错，如果可能，我们当然尽量把同步锁加在共享资源上。
一些比较完善的共享资源，比如，文件系统，数据库系统等，自身都提供了比较完善的同步锁机制。我们不用另外给这些资源加锁，这些资源自己就有锁。 
但是，大部分情况下，我们在代码中访问的共享资源都是比较简单的共享对象。这些对象里面没有地方让我们加锁。 
读者可能会提出建议：为什么不在每一个对象内部都增加一个新的区域，专门用来加锁呢？
这种设计理论上当然也是可行的。问题在于，线程同步的情况并不是很普遍。如果因为这小概率事件，在所有对象内部都开辟一块锁空间，将会带来极大的空间浪费。得不偿失。 
于是，现代的编程语言的设计思路都是把同步锁加在代码段上。确切的说，是把同步锁加在“访问共享资源的代码段”上。
这一点一定要记住，同步锁不是加在共享资源上，而是加在访问同一份共享资源的不同代码段上的。
同步锁加在代码段上，就很好地解决了上述的空间浪费问题。但是却增加了模型的复杂度，也增加了我们的理解难度。
现在我们就来仔细分析“同步锁加在代码段上”的线程同步模型:
首先，我们已经解决了同步锁加在哪里的问题。我们已经确定，同步锁不是加在共享资源上，而是加在访问共享资源的代码段上。 
其次，我们要解决的问题是，我们应该在代码段上加什么样的锁?
这个问题是重点中的重点。这是我们尤其要注意的问题：访问同一份共享资源的不同代码段，应该加上同一个同步锁；如果加的是不同的同步锁，那么根本就起不到同步的作用，没有任何意义。 
这就是说，同步锁本身也一定是多个线程之间的共享对象。
这里我们以当前最流行的Java语言为例。Java语言里面用synchronized关键字给代码段加锁。整个语法形式表现为 
synchronized(同步锁) { 
// 访问共享资源，需要同步的代码段 
}

这里尤其要注意的就是，同步锁本身一定要是共享的对象。

… f1() {

Object lock1 = new Object(); // 产生一个同步锁

synchronized(lock1){ 
// 代码段 A 
// 访问共享资源 resource1 
// 需要同步 
} 
}

上面这段代码没有任何意义。因为那个同步锁是在函数体内部产生的。每个线程调用这段代码的时候，都会产生一个新的同步锁。那么多个线程之间，使用的是不同的同步锁。根本达不到同步的目的。 
同步代码一定要写成如下的形式，才有意义。

public static final Object lock1 = new Object();

… f1() {

synchronized(lock1){ // lock1 是公用同步锁 
// 代码段 A 
// 访问共享资源 resource1 
// 需要同步 
}

你不一定要把同步锁声明为static或者public，但是你一定要保证相关的同步代码之间，一定要使用同一个同步锁。 

讲到这里，你一定会好奇，这个同步锁到底是个什么东西。为什么随便声明一个Object对象，就可以作为同步锁？
因为确实任何一个Object Reference都可以作为同步锁。
我们可以把Object Reference理解为对象在内存分配系统中的内存地址。
因此，要保证同步代码段之间使用的是同一个同步锁，我们就要保证这些同步代码段的synchronized关键字使用的是同一个Object Reference，同一个内存地址。
这也是为什么我在前面的代码中声明lock1的时候，使用了final关键字，这就是为了保证lock1的Object Reference在整个系统运行过程中都保持不变。
...
信号量:

同步锁模型只是最简单的同步模型。同一时刻，只有一个线程能够运行同步代码。 
有的时候，我们希望处理更加复杂的同步模型，比如生产者/消费者模型、读写同步模型等。这种情况下，同步锁模型就不够用了。我们需要一个新的模型。这就是我们要讲述的信号量模型。 
信号量模型的工作方式如下：线程在运行的过程中，可以主动停下来，等待某个信号量的通知；这时候，该线程就进入到该信号量的待召（Waiting）队列当中；等到通知之后，再继续运行。
（1）等待某个信号量的通知 
public static final Object signal = new Object();

… f1() { 
synchronized(singal) { // 首先我们要获取这个信号量。这个信号量同时也是一个同步锁

// 只有成功获取了signal这个信号量兼同步锁之后，我们才可能进入这段代码 
signal.wait(); // 这里要放弃信号量。本线程要进入signal信号量的待召（Waiting）队列

// 可怜。辛辛苦苦争取到手的信号量，就这么被放弃了

// 等到通知之后，从待召（Waiting）队列转到就绪（Ready）队列里面 
// 转到了就绪队列中，离CPU核心近了一步，就有机会继续执行下面的代码了。 
// 仍然需要把signal同步锁竞争到手，才能够真正继续执行下面的代码。命苦啊。 
… 
} 
}
（2）发出某个信号量的通知 
… f2() { 
synchronized(singal) { // 首先，我们同样要获取这个信号量。同时也是一个同步锁。

// 只有成功获取了signal这个信号量兼同步锁之后，我们才可能进入这段代码 
signal.notify(); // 这里，我们通知signal的待召队列中的某个线程。

// 如果某个线程等到了这个通知，那个线程就会转到就绪队列中 
// 但是本线程仍然继续拥有signal这个同步锁，本线程仍然继续执行 
// 嘿嘿，虽然本线程好心通知其他线程， 
// 但是，本线程可没有那么高风亮节，放弃到手的同步锁 
// 本线程继续执行下面的代码 
… 
} 
}

...