摘要：
在多线程编程中，线程安全问题是一个最为关键的问题，其核心概念就在于正确性，即当多个线程访问某一共享、可变数据时，始终都不会导致数据破坏以及其他不该出现的结果。而所有的并发模式在解决这个问题时，采用的方案都是序列化访问临界资源。在 Java 中，提供了两种方式来实现同步互斥访问：synchronized和 Lock。本文针对 synchronized 内置锁详细讨论了其在 Java 并发 中的应用，包括它的具体使用场景（同步方法、同步代码块、实例对象锁 和 Class 对象锁）、可重入性 和 注意事项。
一. 线程安全问题
在单线程中不会出现线程安全问题，而在多线程编程中，有可能会出现同时访问同一个 共享、可变资源 的情况，这种资源可以是：一个变量、一个对象、一个文件等。特别注意两点，
· 共享： 意味着该资源可以由多个线程同时访问；
· 可变： 意味着该资源可以在其生命周期内被修改。所以，当多个线程同时访问这种资源的时候，就会存在一个问题：由于每个线程执行的过程是不可控的，所以需要采用同步机制来协同对对象可变状态的访问。
举个 数据脏读 的例子：
//资源类
classPublicVar {
public String username = "A";
public String password = "AA";
//同步实例方法
public synchronized void setValue(String username, String password) {
try {
this.username = username;
Thread.sleep(5000);
this.password = password;
System.out.println("method=setValue " +"\t"
+ "threadName=" +Thread.currentThread().getName()
+ "\t" + "username=" + username + ",
password=" + password);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//非同步实例方法
public void getValue() {
System.out.println("method=getValue " + "\t"
+ "threadName="+Thread.currentThread().getName()
+ "\t" + " username=" +username + ", password="
+ password);
}
}
//线程类
classThreadA extends Thread {
private PublicVar publicVar;
public ThreadA(PublicVarpublicVar) {
super();
this.publicVar = publicVar;
}
@Override
public void run() {
super.run();
publicVar.setValue("B", "BB");
}
}
//测试类
public class Test {
public static void main(String[] args) {
try {
//临界资源
PublicVar publicVarRef = newPublicVar();
//创建并启动线程
ThreadA thread = newThreadA(publicVarRef);
thread.start();
Thread.sleep(200);// 打印结果受此值大小影响
//在主线程中调用
publicVarRef.getValue();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}/* Output ( 数据交叉 ):
method=getValue threadName=main username=B,
password=AA
method=setValue threadName=Thread-0 username=B, password=BB
*///:~
由程序输出可知，虽然在写操作进行了同步，但在读操作上仍然有可能出现一些意想不到的情况，例如上面所示的 脏读。发生 脏读 的情况是在执行读操作时，相应的数据已被其他线程 部分修改 过，导致 数据交叉 的现象产生。
这其实就是一个线程安全问题，即多个线程同时访问一个资源时，会导致程序运行结果并不是想看到的结果。这里面，这个资源被称为：临界资源。也就是说，当多个线程同时访问临界资源（一个对象，对象中的属性，一个文件，一个数据库等）时，就可能会产生线程安全问题。
不过，当多个线程执行一个方法时，该方法内部的局部变量并不是临界资源，因为这些局部变量是在每个线程的私有栈中，因此不具有共享性，不会导致线程安全问题。
二. 如何解决线程安全问题
实际上，所有的并发模式在解决线程安全问题时，采用的方案都是 序列化访问临界资源 。即在同一时刻，只能有一个线程访问临界资源，也称作 同步互斥访问。换句话说，就是在访问临界资源的代码前面加上一个锁，当访问完临界资源后释放锁，让其他线程继续访问。
在 Java 中，提供了两种方式来实现同步互斥访问：synchronized 和 Lock。本文主要讲述 synchronized 的使用方法，Lock 的使用方法我的另一篇博文《Java 并发：Lock 框架详解》中阐述。
三. synchronized 同步方法或者同步块
在了解 synchronized关键字的使用方法之前，我们先来看一个概念：互斥锁，即 能到达到互斥访问目的的锁。举个简单的例子，如果对临界资源加上互斥锁，当一个线程在访问该临界资源时，其他线程便只能等待。
在 Java 中，可以使用 synchronized 关键字来标记一个方法或者代码块，当某个线程调用该对象的synchronized方法或者访问synchronized代码块时，这个线程便获得了该对象的锁，其他线程暂时无法访问这个方法，只有等待这个方法执行完毕或者代码块执行完毕，这个线程才会释放该对象的锁，其他线程才能执行这个方法或者代码块。
下面这段代码中两个线程分别调用insertData对象插入数据：
1) synchronized方法
public class Test {
public static void main(String[] args) {
final InsertData insertData = new InsertData();
// 启动线程 1
new Thread() {
public void run() {
insertData.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
// 启动线程 2
new Thread() {
public void run() {
insertData.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
}
classInsertData {
// 共享、可变资源
private ArrayList arrayList = newArrayList();
//对共享可变资源的访问
public void insert(Thread thread){
for(int i=0;i<5;i++){
System.out.println(thread.getName()+"在插入数据"+i);
arrayList.add(i);
}
}
}/* Output:
Thread-0在插入数据0
Thread-1在插入数据0
Thread-0在插入数据1
Thread-0在插入数据2
Thread-1在插入数据1
Thread-1在插入数据2
*///:~
根据运行结果就可以看出，这两个线程在同时执行insert()方法。而如果在insert()方法前面加上关键字synchronized 的话，运行结果为：
classInsertData {
private ArrayList arrayList = newArrayList();
public synchronized void insert(Thread thread){
for(int i=0;i<5;i++){
System.out.println(thread.getName()+"在插入数据"+i);
arrayList.add(i);
}
}
}/* Output:
Thread-0在插入数据0
Thread-0在插入数据1
Thread-0在插入数据2
Thread-1在插入数据0
Thread-1在插入数据1
Thread-1在插入数据2
*///:~
从以上输出结果可以看出，Thread-1插入数据是等 Thread-0 插入完数据之后才进行的。说明Thread-0 和 Thread-1 是顺序执行insert() 方法的。这就是 synchronized 关键字对方法的作用。
不过需要注意以下三点：
1）当一个线程正在访问一个对象的 synchronized 方法，那么其他线程不能访问该对象的其他 synchronized 方法。这个原因很简单，因为一个对象只有一把锁，当一个线程获取了该对象的锁之后，其他线程无法获取该对象的锁，所以无法访问该对象的其他synchronized方法。
2）当一个线程正在访问一个对象的 synchronized 方法，那么其他线程能访问该对象的非 synchronized 方法。这个原因很简单，访问非 synchronized 方法不需要获得该对象的锁，假如一个方法没用 synchronized 关键字修饰，说明它不会使用到临界资源，那么其他线程是可以访问这个方法的，
3）如果一个线程 A 需要访问对象object1 的 synchronized 方法 fun1，另外一个线程 B 需要访问对象 object2 的synchronized 方法 fun1，即使 object1和 object2 是同一类型），也不会产生线程安全问题，因为他们访问的是不同的对象，所以不存在互斥问题。
2) synchronized 同步块
synchronized 代码块类似于以下这种形式：
synchronized (lock){
//访问共享可变资源
...
}
当在某个线程中执行这段代码块，该线程会获取对象lock的锁，从而使得其他线程无法同时访问该代码块。其中，lock 可以是 this，代表获取当前对象的锁，也可以是类中的一个属性，代表获取该属性的锁。特别地， 实例同步方法 与 synchronized(this)同步块 是互斥的，因为它们锁的是同一个对象。但与 synchronized(非this)同步块 是异步的，因为它们锁的是不同对象。
比如上面的insert()方法可以改成以下两种形式：
// this 监视器
classInsertData {
private ArrayList arrayList = newArrayList();
public void insert(Thread thread){
synchronized (this) {
for(int i=0;i<100;i++){
System.out.println(thread.getName()+"在插入数据"+i);
arrayList.add(i);
}
}
}
}
// 对象监视器
classInsertData {
private ArrayList arrayList = newArrayList();
private Object object = new Object();
public void insert(Thread thread){
synchronized (object) {
for(int i=0;i<100;i++){
System.out.println(thread.getName()+"在插入数据"+i);
arrayList.add(i);
}
}
}
}
从上面代码可以看出，synchronized代码块比 synchronized方法 的粒度更细一些，使用起来也灵活得多。因为也许一个方法中只有一部分代码只需要同步，如果此时对整个方法用synchronized进行同步，会影响程序执行效率。而使用synchronized代码块就可以避免这个问题，synchronized代码块可以实现只对需要同步的地方进行同步。
3) class 对象锁
特别地，每个类也会有一个锁，静态的 synchronized方法 就是以Class对象作为锁。另外，它可以用来控制对 static 数据成员 （static数据成员不专属于任何一个对象，是类成员） 的并发访问。并且，如果一个线程执行一个对象的非static synchronized 方法，另外一个线程需要执行这个对象所属类的static synchronized 方法，也不会发生互斥现象。因为访问 staticsynchronized 方法占用的是类锁，而访问非 static synchronized 方法占用的是对象锁，所以不存在互斥现象。例如，
public class Test {
public static void main(String[] args) {
final InsertData insertData = new InsertData();
new Thread(){
@Override
public void run() {
insertData.insert();
}
}.start();
new Thread(){
@Override
public void run() {
insertData.insert1();
}
}.start();
}
}
classInsertData {
// 非 static synchronized 方法
public synchronized void insert(){
System.out.println("执行insert");
try {
Thread.sleep(5000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("执行insert完毕");
}
// staticsynchronized 方法
public synchronized static void insert1() {
System.out.println("执行insert1");
System.out.println("执行insert1完毕");
}
}/* Output:
执行insert
执行insert1
执行insert1完毕
执行insert完毕
*///:~
根据执行结果，我们可以看到第一个线程里面执行的是insert方法，不会导致第二个线程执行insert1方法发生阻塞现象。下面，我们看一下 synchronized 关键字到底做了什么事情，我们来反编译它的字节码看一下，下面这段代码反编译后的字节码为：
public class InsertData {
private Object object = new Object();
public void insert(Thread thread){
synchronized (object) {}
}
public synchronized void insert1(Thread thread){}
public void insert2(Thread thread){}
}
从反编译获得的字节码可以看出，synchronized代码块实际上多了 monitorenter 和monitorexit 两条指令。 monitorenter指令执行时会让对象的锁计数加1，而monitorexit指令执行时会让对象的锁计数减1，其实这个与操作系统里面的PV操作很像，操作系统里面的PV操作就是用来控制多个进程对临界资源的访问。对于synchronized方法，执行中的线程识别该方法的 method_info 结构是否有 ACC_SYNCHRONIZED 标记设置，然后它自动获取对象的锁，调用方法，最后释放锁。如果有异常发生，线程自动释放锁。
有一点要注意：对于synchronized方法 或者 synchronized代码块，当出现异常时，JVM会自动释放当前线程占用的锁，因此不会由于异常导致出现死锁现象。
四. 可重入性
一般地，当某个线程请求一个由其他线程持有的锁时，发出请求的线程就会阻塞。然而，由于 Java 的内置锁是可重入的，因此如果某个线程试图获得一个已经由它自己持有的锁时，那么这个请求就会成功。可重入锁最大的作用是避免死锁。例如：
public class Test implements Runnable {
// 可重入锁测试
public synchronized void get() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
set();
}
public synchronized void set() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
}
@Override
public void run() {
get();
}
public static void main(String[] args) {
Test test = new Test();
new Thread(test,"Thread-0").start();
new Thread(test,"Thread-1").start();
new Thread(test,"Thread-2").start();
}
}/* Output:
Thread-1
Thread-1
Thread-2
Thread-2
Thread-0
Thread-0
*///:~
五. 注意事项
1). 内置锁与字符串常量
由于字符串常量池的原因，在大多数情况下，同步synchronized代码块 都不使用 String 作为锁对象，而改用其他，比如 new Object() 实例化一个 Object 对象，因为它并不会被放入缓存中。看下面的例子：
//资源类
classService {
public void print(String stringParam) {
try {
synchronized (stringParam) {
while (true) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
Thread.sleep(1000);
}
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
//线程A
classThreadA extends Thread {
private Service service;
public ThreadA(Serviceservice) {
super();
this.service = service;
}
@Override
public void run() {
service.print("AA");
}
}
//线程B
classThreadB extends Thread {
private Service service;
public ThreadB(Serviceservice) {
super();
this.service = service;
}
@Override
public void run() {
service.print("AA");
}
}
//测试
public class Run {
public static void main(String[] args) {
//临界资源
Service service = new Service();
//创建并启动线程A
ThreadA a = new ThreadA(service);
a.setName("A");
a.start();
//创建并启动线程B
ThreadB b = new ThreadB(service);
b.setName("B");
b.start();
}
}/* Output (死锁):
A
A
A
A
...
*///:~
出现上述结果就是因为String 类型的参数都是 “AA”，两个线程持有相同的锁，所以 线程B 始终得不到执行，造成死锁。进一步地，所谓死锁是指：
不同的线程都在等待根本不可能被释放的锁，从而导致所有的任务都无法继续完成。
b). 锁的是对象而非引用
在将任何数据类型作为同步锁时，需要注意的是，是否有多个线程将同时去竞争该锁对象：
1).若它们将同时竞争同一把锁，则这些线程之间就是同步的；
2).否则，这些线程之间就是异步的。
看下面的例子：
//资源类
classMyService {
private String lock = "123";
public void testMethod() {
try {
synchronized(lock) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " begin "
+System.currentTimeMillis());
lock = "456";
Thread.sleep(2000);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " end "
+System.currentTimeMillis());
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
//线程B
classThreadB extends Thread {
private MyService service;
public ThreadB(MyServiceservice) {
super();
this.service = service;
}
@Override
public void run() {
service.testMethod();
}
}
//线程A
classThreadA extends Thread {
private MyService service;
public ThreadA(MyServiceservice) {
super();
this.service = service;
}
@Override
public void run() {
service.testMethod();
}
}
//测试
public class Run1 {
public static void main(String[] args) throwsInterruptedException {
//临界资源
MyService service = new MyService();
//线程A
ThreadA a = new ThreadA(service);
a.setName("A");
//线程B
ThreadB b = new ThreadB(service);
b.setName("B");
a.start();
Thread.sleep(50);// 存在50毫秒
b.start();
}
}/* Output(循环):
A begin 1484319778766
B begin 1484319778815
A end 1484319780766
B end 1484319780815
*///:~
由上述结果可知，线程 A、B 是异步的。因为50毫秒过后， 线程B取得的锁对象是 “456”，而 线程A 依然持有的锁对象是 “123”。所以，这两个线程是异步的。若将上述语句“Thread.sleep(50);” 注释，则有：
//测试
public class Run1 {
public static void main(String[] args) throwsInterruptedException {
//临界资源
MyService service = new MyService();
//线程A
ThreadA a = new ThreadA(service);
a.setName("A");
//线程B
ThreadB b = new ThreadB(service);
b.setName("B");
a.start();
//Thread.sleep(50);// 存在50毫秒
b.start();
}
}/* Output(循环):
B begin 1484319952017
B end 1484319954018
A begin 1484319954018
A end 1484319956019
*///:~
由上述结果可知，线程 A、B 是同步的。因为线程 A、B 竞争的是同一个锁“123”，虽然先获得运行的线程将 lock 指向了 对象“456”，但结果还是同步的。因为线程 A 和 B 共同争抢的锁对象是“123”，也就是说，锁的是对象而非引用。
六. 总结
用一句话来说，synchronized内置锁 是一种 对象锁 (锁的是对象而非引用)， 作用粒度是对象 ，可以用来实现对 临界资源的同步互斥访问 ，是 可重入 的。特别地，对于 临界资源 有：
· 若该资源是静态的，即被 static 关键字修饰，那么访问它的方法必须是同步且是静态的，synchronized块必须是 class锁；
· 若该资源是非静态的，即没有被 static 关键字修饰，那么访问它的方法必须是同步的，synchronized 块是实例对象锁；
实质上，关键字synchronized主要包含两个特征：
· 互斥性：保证在同一时刻，只有一个线程可以执行某一个方法或某一个代码块；
· 可见性：保证线程工作内存中的变量与公共内存中的变量同步，使多线程读取共享变量时可以获得最新值的使用。
