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Java多線程:“基礎篇”04之synchronized關鍵字

編輯:關於JAVA

1. synchronized原理

在java中,每一個對象有且僅有一個同步鎖。這也意味著,同步鎖是依賴於對象而存在。

當我們調用某對象的synchronized方法時,就獲取了該對象的同步鎖。例如,synchronized(obj)就獲 取了“obj這個對象”的同步鎖。

不同線程對同步鎖的訪問是互斥的。也就是說,某時間點,對象的同步鎖只能被一個線程獲取到!通 過同步鎖,我們就能在多線程中,實現對“對象/方法”的互斥訪問。 例如,現在有兩個線程 A和線程B,它們都會訪問“對象obj的同步鎖”。假設,在某一時刻,線程A獲取到“obj 的同步鎖”並在執行一些操作;而此時,線程B也企圖獲取“obj的同步鎖” —— 線程B會獲取失敗,它必須等待,直到線程A釋放了“該對象的同步鎖”之後 線程B才能獲取到“obj的同步鎖”從而才可以運行。

2. synchronized基本規則

我們將synchronized的基本規則總結為下面3條,並通過實例對它們進行說明。

第一條: 當一個線程訪問“某對象”的“synchronized方法”或者 “synchronized代碼塊”時,其他線程對“該對象”的該“synchronized方 法”或者“synchronized代碼塊”的訪問將被阻塞。

第二條: 當一個線程訪問“某對象”的“synchronized方法”或者 “synchronized代碼塊”時,其他線程仍然可以訪問“該對象”的非同步代碼塊。

第三條: 當一個線程訪問“某對象”的“synchronized方法”或者 “synchronized代碼塊”時,其他線程對“該對象”的其他的 “synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”的訪問將被阻塞。

第一條

當一個線程訪問“某對象”的“synchronized方法”或者“synchronized 代碼塊”時,其他線程對“該對象”的該“synchronized方法”或者 “synchronized代碼塊”的訪問將被阻塞。

下面是“synchronized代碼塊”對應的演示程序。

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對象”
    
        Thread t1 = new Thread(demo, "t1");  // 新建“線程t1”, t1是基於demo這個Runnable對象
        Thread t2 = new Thread(demo, "t2");  // 新建“線程t2”, t2是基於demo這個Runnable對象
        t1.start();                          // 啟動“線程t1”
        t2.start();                          // 啟動“線程t2” 
    } 
}

運行結果:

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

結果說明:

run()方法中存在“synchronized(this)代碼塊”,而且t1和t2都是基於"demo這個 Runnable對象"創建的線程。這就意味著,我們可以將synchronized(this)中的this看作是 “demo這個Runnable對象”;因此,線程t1和t2共享“demo對象的同步鎖”。所以 ,當一個線程運行的時候,另外一個線程必須等待“運行線程”釋放“demo的同步鎖 ”之後才能運行。

如果你確認,你搞清楚這個問題了。那我們將上面的代碼進行修改,然後再運行看看結果怎麼樣,看 看你是否會迷糊。修改後的源碼如下:

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“線程t1”
        Thread t2 = new MyThread("t2");  // 新建“線程t2”
        t1.start();                          // 啟動“線程t1”
        t2.start();                          // 啟動“線程t2” 
    } 
}

代碼說明:

比較Demo1_2 和 Demo1_1,我們發現,Demo1_2中的MyThread類是直接繼承於Thread,而且t1和t2都是 MyThread子線程。

幸運的是,在“Demo1_2的run()方法”也調用了synchronized(this),正如 “Demo1_1的run()方法”也調用了synchronized(this)一樣!

那麼,Demo1_2的執行流程是不是和Demo1_1一樣呢?

運行結果:

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

結果說明:

如果這個結果一點也不令你感到驚訝,那麼我相信你對synchronized和this的認識已經比較深刻了。 否則的話,請繼續閱讀這裡的分析。

synchronized(this)中的this是指“當前的類對象”,即synchronized(this)所在的類對 應的當前對象。它的作用是獲取“當前對象的同步鎖”。

對於Demo1_2中,synchronized(this)中的this代表的是MyThread對象,而t1和t2是兩個不同的 MyThread對象,因此t1和t2在執行synchronized(this)時,獲取的是不同對象的同步鎖。對於Demo1_1對 而言,synchronized(this)中的this代表的是MyRunable對象;t1和t2共同一個MyRunable對象,因此,一 個線程獲取了對象的同步鎖,會造成另外一個線程等待。

第二條

當一個線程訪問“某對象”的“synchronized方法”或者“synchronized 代碼塊”時,其他線程仍然可以訪問“該對象”的非同步代碼塊。

下面是“synchronized代碼塊”對應的演示程序。

class Count {
    
    // 含有synchronized同步塊的方法
    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會調用“count對象”的synMethod()方法
        Thread t1 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        count.synMethod();
                    }
                }, "t1");
    
        // 新建t2, t2會調用“count對象”的nonSynMethod()方法
        Thread t2 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        count.nonSynMethod();
                    }
                }, "t2");  
    
    
        t1.start();  // 啟動t1
        t2.start();  // 啟動t2
    } 
}

運行結果:

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

結果說明:

主線程中新建了兩個子線程t1和t2。t1會調用count對象的synMethod()方法,該方法內含有同步塊; 而t2則會調用count對象的nonSynMethod()方法,該方法不是同步方法。t1運行時,雖然調用 synchronized(this)獲取“count的同步鎖”;但是並沒有造成t2的阻塞,因為t2沒有用到 “count”同步鎖。

第三條

當一個線程訪問“某對象”的“synchronized方法”或者“synchronized 代碼塊”時,其他線程對“該對象”的其他的“synchronized方法”或者 “synchronized代碼塊”的訪問將被阻塞。

我們將上面的例子中的nonSynMethod()方法體的也用synchronized(this)修飾。修改後的源碼如下:

class Count {
    
    // 含有synchronized同步塊的方法
    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同步塊的方法
    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會調用“count對象”的synMethod()方法
        Thread t1 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        count.synMethod();
                    }
                }, "t1");
    
        // 新建t2, t2會調用“count對象”的nonSynMethod()方法
        Thread t2 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        count.nonSynMethod();
                    }
                }, "t2");  
    
    
        t1.start();  // 啟動t1
        t2.start();  // 啟動t2
    } 
}

運行結果:

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

結果說明:

主線程中新建了兩個子線程t1和t2。t1和t2運行時都調用synchronized(this),這個this是Count對象 (count),而t1和t2共用count。因此,在t1運行時,t2會被阻塞,等待t1運行釋放“count對象的同 步鎖”,t2才能運行。

3. synchronized方法 和 synchronized代碼塊

“synchronized方法”是用synchronized修飾方法,而 “synchronized代碼塊 ”則是用synchronized修飾代碼塊。

synchronized方法示例

public synchronized void foo1() {

System.out.println("synchronized methoed");

}

synchronized代碼塊

public void foo2() {

synchronized (this) {

System.out.println("synchronized methoed");

}

}

synchronized代碼塊中的this是指當前對象。也可以將this替換成其他對象,例如將this替換成obj, 則foo2()在執行synchronized(obj)時就獲取的是obj的同步鎖。

synchronized代碼塊可以更精確的控制沖突限制訪問區域,有時候表現更高效率。下面通過一個示例 來演示:

// Demo4.java的源碼
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();                // 獲取當前時間(millis)
        demo.synMethod();                                // 調用“synchronized方法

”
        diff = System.currentTimeMillis() - start;        // 獲取“時間差值”
        System.out.println("synMethod() : "+ diff);
            
        start = System.currentTimeMillis();                // 獲取當前時間(millis)
        demo.synBlock();                                // 調用“synchronized方法塊

”
        diff = System.currentTimeMillis() - start;        // 獲取“時間差值”
        System.out.println("synBlock()  : "+ diff);
    }
}

(某一次)執行結果:

synMethod() : 11

synBlock() : 3

4. 實例鎖 和 全局鎖

實例鎖 -- 鎖在某一個實例對象上。如果該類是單例,那麼該鎖也具有全局鎖的概念。

實例鎖對應的就是synchronized關鍵字。

全局鎖 -- 該鎖針對的是類,無論實例多少個對象,那麼線程都共享該鎖。

全局鎖對應的就是static synchronized(或者是鎖在該類的class或者classloader對象上)。

關於“實例鎖”和“全局鎖”有一個很形象的例子:

pulbic class Something {

public synchronized void isSyncA(){}

public synchronized void isSyncB(){}

public static synchronized void cSyncA(){}

public static synchronized void cSyncB(){}

}

假設,Something有兩個實例x和y。分析下面4組表達式獲取的鎖的情況。

(01) x.isSyncA()與x.isSyncB()

(02) x.isSyncA()與y.isSyncA()

(03) x.cSyncA()與y.cSyncB()

(04) x.isSyncA()與Something.cSyncA()

(01) 不能被同時訪問。因為isSyncA()和isSyncB()都是訪問同一個對象(對象x)的同步鎖!

// LockTest1.java的源碼
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();
    
    // 比較(01) x.isSyncA()與x.isSyncB() 
    private void test1() {
        // 新建t11, t11會調用 x.isSyncA()
        Thread t11 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        x.isSyncA();
                    }
                }, "t11");
    
        // 新建t12, t12會調用 x.isSyncB()
        Thread t12 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        x.isSyncB();
                    }
                }, "t12");  
    
    
        t11.start();  // 啟動t11
        t12.start();  // 啟動t12
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        LockTest1 demo = new LockTest1();
        demo.test1();
    }
}

運行結果:

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

(02) 可以同時被訪問。因為訪問的不是同一個對象的同步鎖,x.isSyncA()訪問的是x的同步鎖,而 y.isSyncA()訪問的是y的同步鎖。

// LockTest2.java的源碼
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();
    
    // 比較(02) x.isSyncA()與y.isSyncA()
    private void test2() {
        // 新建t21, t21會調用 x.isSyncA()
        Thread t21 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        x.isSyncA();
                    }
                }, "t21");
    
        // 新建t22, t22會調用 x.isSyncB()
        Thread t22 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        y.isSyncA();
                    }
                }, "t22");  
    
    
        t21.start();  // 啟動t21
        t22.start();  // 啟動t22
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        LockTest2 demo = new LockTest2();
    
        demo.test2();
    }
}

運行結果:

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

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(03) 不能被同時訪問。因為cSyncA()和cSyncB()都是static類型,x.cSyncA()相當於 Something.isSyncA(),y.cSyncB()相當於Something.isSyncB(),因此它們共用一個同步鎖,不能被同時 反問。

// LockTest3.java的源碼
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();
    
    // 比較(03) x.cSyncA()與y.cSyncB()
    private void test3() {
        // 新建t31, t31會調用 x.isSyncA()
        Thread t31 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        x.cSyncA();
                    }
                }, "t31");
    
        // 新建t32, t32會調用 x.isSyncB()
        Thread t32 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        y.cSyncB();
                    }
                }, "t32");  
    
    
        t31.start();  // 啟動t31
        t32.start();  // 啟動t32
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        LockTest3 demo = new LockTest3();
    
        demo.test3();
    }
}

運行結果:

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

(04) 可以被同時訪問。因為isSyncA()是實例方法,x.isSyncA()使用的是對象x的鎖;而cSyncA()是 靜態方法,Something.cSyncA()可以理解對使用的是“類的鎖”。因此,它們是可以被同時訪 問的。

// LockTest4.java的源碼
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();
    
    // 比較(04) x.isSyncA()與Something.cSyncA()
    private void test4() {
        // 新建t41, t41會調用 x.isSyncA()
        Thread t41 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        x.isSyncA();
                    }
                }, "t41");
    
        // 新建t42, t42會調用 x.isSyncB()
        Thread t42 = new Thread(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        Something.cSyncA();
                    }
                }, "t42");  
    
    
        t41.start();  // 啟動t41
        t42.start();  // 啟動t42
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        LockTest4 demo = new LockTest4();
    
        demo.test4();
    }
}

運行結果:

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