一、Synchronized的基本使用

关于Synchronized在JVM的原理(偏向锁,轻量级锁,重量级锁)

Synchronized是Java中解决并发问题的一种最常用的方法,也是最简单的一种方法。

Synchronized的作用主要有三个:

(1)确保线程互斥的访问同步代码

(2)保证共享变量的修改能够及时可见

(3)有效解决重排序问题。

从语法上讲,Synchronized总共有三种用法:

(1)修饰普通方法

(2)修饰静态方法

(3)修饰代码块

  接下来我就通过几个例子程序来说明一下这三种使用方式(为了便于比较,三段代码除了Synchronized的使用方式不同以外,其他基本保持一致)。

1、没有同步的情况:

代码段一:

1 package cn.com.jdk.thread;
 2 
 3 public class SynchronizedTest1 {
 4     public void method1(){
 5         System.out.println("Method 1 start");
 6         try {
 7             System.out.println("Method 1 execute");
 8             Thread.sleep(3000);
 9         } catch (InterruptedException e) {
10             e.printStackTrace();
11         }
12         System.out.println("Method 1 end");
13     }
14 
15     public void method2(){
16         System.out.println("Method 2 start");
17         try {
18             System.out.println("Method 2 execute");
19             Thread.sleep(1000);
20         } catch (InterruptedException e) {
21             e.printStackTrace();
22         }
23         System.out.println("Method 2 end");
24     }
25 
26     public static void main(String[] args) {
27         final SynchronizedTest1 test = new SynchronizedTest1();
28 
29         new Thread(new Runnable() {
30             @Override
31             public void run() {
32                 test.method1();
33             }
34         }).start();
35 
36         new Thread(new Runnable() {
37             @Override
38             public void run() {
39                 test.method2();
40             }
41         }).start();
42     }
43 }

执行结果如下:

1 Method 1 start
2 Method 1 execute
3 Method 2 start
4 Method 2 execute
5 Method 2 end
6 Method 1 end

线程1和线程2同时进入执行状态,线程2执行速度比线程1快,所以线程2先执行完成,这个过程中线程1和线程2是同时执行的。

2、对普通方法同步:

代码段二:

1 package cn.com.jdk.thread;
 2 
 3 public class SynchronizedTest2 {
 4     public synchronized void method1(){
 5         System.out.println("Method 1 start");
 6         try {
 7             System.out.println("Method 1 execute");
 8             Thread.sleep(3000);
 9         } catch (InterruptedException e) {
10             e.printStackTrace();
11         }
12         System.out.println("Method 1 end");
13     }
14 
15     public synchronized void method2(){
16         System.out.println("Method 2 start");
17         try {
18             System.out.println("Method 2 execute");
19             Thread.sleep(1000);
20         } catch (InterruptedException e) {
21             e.printStackTrace();
22         }
23         System.out.println("Method 2 end");
24     }
25 
26     public static void main(String[] args) {
27         final SynchronizedTest2 test = new SynchronizedTest2();
28 
29         new Thread(new Runnable() {
30             @Override
31             public void run() {
32                 test.method1();
33             }
34         }).start();
35 
36         new Thread(new Runnable() {
37             @Override
38             public void run() {
39                 test.method2();
40             }
41         }).start();
42     }
43 }

执行结果如下:

1 Method 1 start
2 Method 1 execute
3 Method 1 end
4 Method 2 start
5 Method 2 execute
6 Method 2 end

跟代码段一比较,可以很明显的看出,线程2需要等待线程1的method1执行完成才能开始执行method2方法(也有可能先执行线程2,线程1需要等待线程2的method2执行完成才能开始执行method1方法),方法级别串行执行。

3、静态方法(类)同步

代码段三:

1 package cn.com.jdk.thread;
 2 
 3 public class SynchronizedTest3 {
 4     public static synchronized void method1(){
 5         System.out.println("Method 1 start");
 6         try {
 7             System.out.println("Method 1 execute");
 8             Thread.sleep(3000);
 9         } catch (InterruptedException e) {
10             e.printStackTrace();
11         }
12         System.out.println("Method 1 end");
13     }
14 
15     public static synchronized void method2(){
16         System.out.println("Method 2 start");
17         try {
18             System.out.println("Method 2 execute");
19             Thread.sleep(1000);
20         } catch (InterruptedException e) {
21             e.printStackTrace();
22         }
23         System.out.println("Method 2 end");
24     }
25 
26     public static void main(String[] args) {
27         final SynchronizedTest3 test = new SynchronizedTest3();
28         final SynchronizedTest3 test2 = new SynchronizedTest3();
29 
30         new Thread(new Runnable() {
31             @Override
32             public void run() {
33                 test.method1();
34             }
35         }).start();
36 
37         new Thread(new Runnable() {
38             @Override
39             public void run() {
40                 test2.method2();
41             }
42         }).start();
43     }
44 }

执行结果如下:

1 Method 1 start
2 Method 1 execute
3 Method 1 end
4 Method 2 start
5 Method 2 execute
6 Method 2 end

对静态方法的同步本质上是对类的同步(静态方法本质上是属于类的方法,而不是对象上的方法),所以即使test和test2属于不同的对象,但是它们都属于SynchronizedTest类的实例,所以也只能顺序的执行method1和method2,(也有可能是线程2先执行,顺序执行method2和method1)不能并发执行。

4、代码块同步

代码段四:

1 package cn.com.jdk.thread;
 2 
 3 public class SynchronizedTest4 {
 4     public void method1(){
 5         System.out.println("Method 1 start");
 6         try {
 7             synchronized (this) {
 8                 System.out.println("Method 1 execute");
 9                 Thread.sleep(3000);
10             }
11         } catch (InterruptedException e) {
12             e.printStackTrace();
13         }
14         System.out.println("Method 1 end");
15     }
16 
17     public void method2(){
18         System.out.println("Method 2 start");
19         try {
20             synchronized (this) {
21                 System.out.println("Method 2 execute");
22                 Thread.sleep(1000);
23             }
24         } catch (InterruptedException e) {
25             e.printStackTrace();
26         }
27         System.out.println("Method 2 end");
28     }
29 
30     public static void main(String[] args) {
31         final SynchronizedTest4 test = new SynchronizedTest4();
32 
33         new Thread(new Runnable() {
34             @Override
35             public void run() {
36                 test.method1();
37             }
38         }).start();
39 
40         new Thread(new Runnable() {
41             @Override
42             public void run() {
43                 test.method2();
44             }
45         }).start();
46     }
47 }

执行结果如下:

1 Method 1 start
2 Method 2 start
3 Method 1 execute
4 Method 1 end
5 Method 2 execute
6 Method 2 end

虽然线程1和线程2都进入了对应的方法开始执行,但是线程2在进入同步块之前,需要等待线程1中同步块执行完成,代码块级别串行。

二、Synchronized 原理

实际上,JVM只区分两种不同用法 1.修饰代码块 2.修饰方法。上SE8规范:http://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-3.html#jvms-3.14

createBackgroundSubtractorKNN源码解读_数据库

上图中,红框框中说明了,1.monitorenter+monitorexit(上图中的onlyMe方法中同步代码块) 2.修饰方法

  如果对上面的执行结果还有疑问,也先不用急,我们先来了解Synchronized的原理,再回头上面的问题就一目了然了。

1、同步代码块:

我们先通过反编译下面的代码来看看Synchronized是如何实现对代码块进行同步的:

1 public class SynchronizedDemo {
2     public void method (){
3         synchronized (this) {
4             System.out.println("method 1 start!!!!");
5         }
6     }
7 }

javac -encoding utf-8 SynchronizedDemo.java 编译生成class 后,javap -c 反编译一下,看指令: 

createBackgroundSubtractorKNN源码解读_ide_02

这里着重分析2个monitorenter、monitorexit这两个指令。这里以JSE8位为准,查到属于JVM指令集。官网各种API、JVM规范,指令等,传送门:http://docs.oracle.com/javase/8/docs/。

1.1,monitorenter监视器准入指令

createBackgroundSubtractorKNN源码解读_java_03

关于这两条指令的作用,我们直接参考JVM规范中描述:

这段话的大概意思为:

每个对象有一个监视器锁(monitor)。当monitor被占用时就会处于锁定状态,线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权,过程如下:

1、如果monitor的进入数为0,则该线程进入monitor,然后将进入数设置为1,该线程即为monitor的所有者。

2、如果线程已经占有该monitor,只是重新进入,则进入monitor的进入数加1.

3.如果其他线程已经占用了monitor,则该线程进入阻塞状态,直到monitor的进入数为0,再重新尝试获取monitor的所有权。

1.2,monitorexit监视器释放指令

createBackgroundSubtractorKNN源码解读_java_04

这段话的大概意思为:

1,执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者。

2,指令执行时,monitor的进入数减1,如果减1后进入数为0,那线程退出monitor,不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。 

  通过这两段描述,我们应该能很清楚的看出Synchronized的实现原理,Synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来完成,其实wait/notify等方法也依赖于monitor对象,这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法,否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。

2、同步方法

我们再来看一下同步方法的反编译结果:

源代码:

1 package cn.com.jdk.thread;
2 
3 public class SynchronizedDemo0 {
4     public synchronized void method (){
5         System.out.println("method start!!!!");
6     }
7 }

反编译结果:

createBackgroundSubtractorKNN源码解读_java_05

  从反编译的结果来看,方法的同步并没有通过指令monitorenter和monitorexit来完成(理论上其实也可以通过这两条指令来实现),不过相对于普通方法,其常量池中多了ACC_SYNCHRONIZED标示符。JVM就是根据该标示符来实现方法的同步的:当方法调用时,调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置,如果设置了,执行线程将先获取monitor,获取成功之后才能执行方法体,方法执行完后再释放monitor。在方法执行期间,其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象。 其实本质上没有区别,只是方法的同步是一种隐式的方式来实现,无需通过字节码来完成。

三、运行结果解释

  有了对Synchronized原理的认识,再来看上面的程序就可以迎刃而解了。

1、代码段2结果:

  虽然method1和method2是不同的方法,但是这两个方法都进行了同步,并且是通过同一个对象去调用的,所以调用之前都需要先去竞争同一个对象上的锁(monitor),也就只能互斥的获取到锁,因此,method1和method2只能顺序的执行。

2、代码段3结果:

  虽然test和test2属于不同对象,但是test和test2属于同一个类的不同实例,由于method1和method2都属于静态同步方法,所以调用的时候需要获取同一个类上monitor(每个类只对应一个class对象),所以也只能顺序的执行。

3、代码段4结果:

  对于代码块的同步实质上需要获取Synchronized关键字后面括号中对象的monitor,由于这段代码中括号的内容都是this,而method1和method2又是通过同一的对象去调用的,所以进入同步块之前需要去竞争同一个对象上的锁,因此只能顺序执行同步块。

四 、总结

  Synchronized是Java并发编程中最常用的用于保证线程安全的方式,其使用相对也比较简单。但是如果能够深入了解其原理,对监视器锁等底层知识有所了解,一方面可以帮助我们正确的使用Synchronized关键字,另一方面也能够帮助我们更好的理解并发编程机制,有助我们在不同的情况下选择更优的并发策略来完成任务。对平时遇到的各种并发问题,也能够从容的应对。