Java 併發開發：內建鎖 Synchronized

2017-02-15 分類：JAVA開發、程式設計開發、首頁精華1人評論發表於2017-02-15

摘要：

在多執行緒程式設計中，執行緒安全問題是一個最為關鍵的問題，其核心概念就在於正確性，即當多個執行緒訪問某一共享、可變資料時，始終都不會導致資料破壞以及其他不該出現的結果。而所有的併發模式在解決這個問題時，採用的方案都是序列化訪問臨界資源。在 Java 中，提供了兩種方式來實現同步互斥訪問：synchronized 和 Lock。本文針對 synchronized 內建鎖詳細討論了其在 Java 併發中的應用，包括它的具體使用場景（同步方法、同步程式碼塊、例項物件鎖和 Class 物件鎖）、可重入性和注意事項。

一. 執行緒安全問題

在單執行緒中不會出現執行緒安全問題，而在多執行緒程式設計中，有可能會出現同時訪問同一個共享、可變資源的情況，這種資源可以是：一個變數、一個物件、一個檔案等。特別注意兩點，

共享：意味著該資源可以由多個執行緒同時訪問；
可變：意味著該資源可以在其生命週期內被修改。所以，當多個執行緒同時訪問這種資源的時候，就會存在一個問題：由於每個執行緒執行的過程是不可控的，所以需要採用同步機制來協同對物件可變狀態的訪問。

舉個資料髒讀的例子：

//資源類
class PublicVar {

    public String username = "A";
    public String password = "AA";

    //同步例項方法
    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();
        }
    }

    //非同步例項方法
    public void getValue() {
        System.out.println("method=getValue " + "\t" +  "threadName="
                + Thread.currentThread().getName()+ "\t" + " username=" + username
                + ", password=" + password);
    }
}

//執行緒類
class ThreadA extends Thread {

    private PublicVar publicVar;

    public ThreadA(PublicVar publicVar) {
        super();
        this.publicVar = publicVar;
    }

    @Override
    public void run() {
        super.run();
        publicVar.setValue("B", "BB");
    }
}

//測試類
public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            //臨界資源
            PublicVar publicVarRef = new PublicVar();

            //建立並啟動執行緒
            ThreadA thread = new ThreadA(publicVarRef);
            thread.start();

            Thread.sleep(200);// 列印結果受此值大小影響

            //在主執行緒中呼叫
            publicVarRef.getValue();

        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}/* Output ( 資料交叉 ): 
        method=getValue     threadName=main         username=B, password=AA
        method=setValue     threadName=Thread-0     username=B, password=BB
 *///:~

由程式輸出可知，雖然在寫操作進行了同步，但在讀操作上仍然有可能出現一些意想不到的情況，例如上面所示的髒讀。發生髒讀的情況是在執行讀操作時，相應的資料已被其他執行緒部分修改過，導致資料交叉的現象產生。

這其實就是一個執行緒安全問題，即多個執行緒同時訪問一個資源時，會導致程式執行結果並不是想看到的結果。這裡面，這個資源被稱為：臨界資源。也就是說，當多個執行緒同時訪問臨界資源（一個物件，物件中的屬性，一個檔案，一個資料庫等）時，就可能會產生執行緒安全問題。

不過，當多個執行緒執行一個方法時，該方法內部的區域性變數並不是臨界資源，因為這些區域性變數是在每個執行緒的私有棧中，因此不具有共享性，不會導致執行緒安全問題。

二. 如何解決執行緒安全問題

實際上，所有的併發模式在解決執行緒安全問題時，採用的方案都是序列化訪問臨界資源。即在同一時刻，只能有一個執行緒訪問臨界資源，也稱作同步互斥訪問。換句話說，就是在訪問臨界資源的程式碼前面加上一個鎖，當訪問完臨界資源後釋放鎖，讓其他執行緒繼續訪問。

在 Java 中，提供了兩種方式來實現同步互斥訪問：synchronized 和 Lock。本文主要講述 synchronized 的使用方法，Lock 的使用方法我的另一篇博文《Java 併發：Lock 框架詳解》中闡述。

三. synchronized 同步方法或者同步塊

在瞭解 synchronized 關鍵字的使用方法之前，我們先來看一個概念：互斥鎖，即能到達到互斥訪問目的的鎖。舉個簡單的例子，如果對臨界資源加上互斥鎖，當一個執行緒在訪問該臨界資源時，其他執行緒便只能等待。

在 Java 中，可以使用 synchronized 關鍵字來標記一個方法或者程式碼塊，當某個執行緒呼叫該物件的synchronized方法或者訪問synchronized程式碼塊時，這個執行緒便獲得了該物件的鎖，其他執行緒暫時無法訪問這個方法，只有等待這個方法執行完畢或者程式碼塊執行完畢，這個執行緒才會釋放該物件的鎖，其他執行緒才能執行這個方法或者程式碼塊。

下面這段程式碼中兩個執行緒分別呼叫insertData物件插入資料：

1) synchronized方法

public class Test {

    public static void main(String[] args)  {
        final InsertData insertData = new InsertData();
        // 啟動執行緒 1  
        new Thread() {
            public void run() {
                insertData.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();

        // 啟動執行緒 2
        new Thread() {
            public void run() {
                insertData.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
    }  
}

class InsertData {

    // 共享、可變資源
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();

    //對共享可變資源的訪問
    public void insert(Thread thread){
        for(int i=0;i<5;i++){
            System.out.println(thread.getName()+"在插入資料"+i);
            arrayList.add(i);
        }
    }
}/* Output: 
        Thread-0在插入資料0
        Thread-1在插入資料0
        Thread-0在插入資料1
        Thread-0在插入資料2
        Thread-1在插入資料1
        Thread-1在插入資料2
 *///:~

根據執行結果就可以看出，這兩個執行緒在同時執行insert()方法。而如果在insert()方法前面加上關鍵字synchronized 的話，執行結果為：

class InsertData {
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();

    public synchronized void insert(Thread thread){
        for(int i=0;i<5;i++){
            System.out.println(thread.getName()+"在插入資料"+i);
            arrayList.add(i);
        }
    }
}/* Output: 
        Thread-0在插入資料0
        Thread-0在插入資料1
        Thread-0在插入資料2
        Thread-1在插入資料0
        Thread-1在插入資料1
        Thread-1在插入資料2
 *///:~

從以上輸出結果可以看出，Thread-1 插入資料是等 Thread-0 插入完資料之後才進行的。說明 Thread-0 和 Thread-1 是順序執行 insert() 方法的。這就是 synchronized 關鍵字對方法的作用。

不過需要注意以下三點：

1）當一個執行緒正在訪問一個物件的 synchronized 方法，那麼其他執行緒不能訪問該物件的其他 synchronized 方法。這個原因很簡單，因為一個物件只有一把鎖，當一個執行緒獲取了該物件的鎖之後，其他執行緒無法獲取該物件的鎖，所以無法訪問該物件的其他synchronized方法。

2）當一個執行緒正在訪問一個物件的 synchronized 方法，那麼其他執行緒能訪問該物件的非 synchronized 方法。這個原因很簡單，訪問非 synchronized 方法不需要獲得該物件的鎖，假如一個方法沒用 synchronized 關鍵字修飾，說明它不會使用到臨界資源，那麼其他執行緒是可以訪問這個方法的，

3）如果一個執行緒 A 需要訪問物件 object1 的 synchronized 方法 fun1，另外一個執行緒 B 需要訪問物件 object2 的 synchronized 方法 fun1，即使 object1 和 object2 是同一型別），也不會產生執行緒安全問題，因為他們訪問的是不同的物件，所以不存在互斥問題。

2) synchronized 同步塊

synchronized 程式碼塊類似於以下這種形式：

synchronized (lock){
    //訪問共享可變資源
    ...
}

當在某個執行緒中執行這段程式碼塊，該執行緒會獲取物件lock的鎖，從而使得其他執行緒無法同時訪問該程式碼塊。其中，lock 可以是 this，代表獲取當前物件的鎖，也可以是類中的一個屬性，代表獲取該屬性的鎖。特別地，例項同步方法與 synchronized(this)同步塊是互斥的，因為它們鎖的是同一個物件。但與 synchronized(非this)同步塊是非同步的，因為它們鎖的是不同物件。

比如上面的insert()方法可以改成以下兩種形式：

// this 監視器
class InsertData {
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();

    public void insert(Thread thread){
        synchronized (this) {
            for(int i=0;i<100;i++){
                System.out.println(thread.getName()+"在插入資料"+i);
                arrayList.add(i);
            }
        }
    }
}

// 物件監視器
class InsertData {
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
    private Object object = new Object();

    public void insert(Thread thread){
        synchronized (object) {
            for(int i=0;i<100;i++){
                System.out.println(thread.getName()+"在插入資料"+i);
                arrayList.add(i);
            }
        }
    }
}

從上面程式碼可以看出，synchronized程式碼塊比 synchronized方法的粒度更細一些，使用起來也靈活得多。因為也許一個方法中只有一部分程式碼只需要同步，如果此時對整個方法用synchronized進行同步，會影響程式執行效率。而使用synchronized程式碼塊就可以避免這個問題，synchronized程式碼塊可以實現只對需要同步的地方進行同步。

3) class 物件鎖

特別地，每個類也會有一個鎖，靜態的 synchronized方法就是以Class物件作為鎖。另外，它可以用來控制對 static 資料成員（static 資料成員不專屬於任何一個物件，是類成員）的併發訪問。並且，如果一個執行緒執行一個物件的非static synchronized 方法，另外一個執行緒需要執行這個物件所屬類的 static synchronized 方法，也不會發生互斥現象。因為訪問 static synchronized 方法佔用的是類鎖，而訪問非 static synchronized 方法佔用的是物件鎖，所以不存在互斥現象。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();
    }  
}

class InsertData { 

    // 非 static synchronized 方法
    public synchronized void insert(){
        System.out.println("執行insert");
        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("執行insert完畢");
    }

    // static synchronized 方法
    public synchronized static void insert1() {
        System.out.println("執行insert1");
        System.out.println("執行insert1完畢");
    }
}/* Output: 
        執行insert
        執行insert1
        執行insert1完畢
        執行insert完畢
 *///:~

根據執行結果，我們可以看到第一個執行緒裡面執行的是insert方法，不會導致第二個執行緒執行insert1方法發生阻塞現象。下面，我們看一下 synchronized 關鍵字到底做了什麼事情，我們來反編譯它的位元組碼看一下，下面這段程式碼反編譯後的位元組碼為：

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){}
}

192052201909119.jpg-81.2kB

從反編譯獲得的位元組碼可以看出，synchronized 程式碼塊實際上多了 monitorenter 和 monitorexit 兩條指令。 monitorenter指令執行時會讓物件的鎖計數加1，而monitorexit指令執行時會讓物件的鎖計數減1，其實這個與作業系統裡面的PV操作很像，作業系統裡面的PV操作就是用來控制多個程式對臨界資源的訪問。對於synchronized方法，執行中的執行緒識別該方法的 method_info 結構是否有 ACC_SYNCHRONIZED 標記設定，然後它自動獲取物件的鎖，呼叫方法，最後釋放鎖。如果有異常發生，執行緒自動釋放鎖。

有一點要注意：對於 synchronized方法或者 synchronized程式碼塊，當出現異常時，JVM會自動釋放當前執行緒佔用的鎖，因此不會由於異常導致出現死鎖現象。

四. 可重入性

一般地，當某個執行緒請求一個由其他執行緒持有的鎖時，發出請求的執行緒就會阻塞。然而，由於 Java 的內建鎖是可重入的，因此如果某個執行緒試圖獲得一個已經由它自己持有的鎖時，那麼這個請求就會成功。可重入鎖最大的作用是避免死鎖。例如：

public class Test implements Runnable {

    // 可重入鎖測試
    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. 注意事項

1). 內建鎖與字串常量

由於字串常量池的原因，在大多數情況下，同步synchronized程式碼塊都不使用 String 作為鎖物件，而改用其他，比如 new Object() 例項化一個 Object 物件，因為它並不會被放入快取中。看下面的例子：

//資源類
class Service {
    public void print(String stringParam) {
        try {
            synchronized (stringParam) {
                while (true) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                    Thread.sleep(1000);
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

//執行緒A
class ThreadA extends Thread {
    private Service service;

    public ThreadA(Service service) {
        super();
        this.service = service;
    }

    @Override
    public void run() {
        service.print("AA");
    }
}

//執行緒B
class ThreadB extends Thread {
    private Service service;

    public ThreadB(Service service) {
        super();
        this.service = service;
    }

    @Override
    public void run() {
        service.print("AA");
    }
}

//測試
public class Run {
    public static void main(String[] args) {

        //臨界資源
        Service service = new Service();

        //建立並啟動執行緒A
        ThreadA a = new ThreadA(service);
        a.setName("A");
        a.start();

        //建立並啟動執行緒B
        ThreadB b = new ThreadB(service);
        b.setName("B");
        b.start();

    }
}/* Output (死鎖): 
        A
        A
        A
        A
        ...
 *///:~

出現上述結果就是因為 String 型別的引數都是 “AA”，兩個執行緒持有相同的鎖，所以執行緒B 始終得不到執行，造成死鎖。進一步地，所謂死鎖是指：

不同的執行緒都在等待根本不可能被釋放的鎖，從而導致所有的任務都無法繼續完成。

b). 鎖的是物件而非引用

在將任何資料型別作為同步鎖時，需要注意的是，是否有多個執行緒將同時去競爭該鎖物件：

1).若它們將同時競爭同一把鎖，則這些執行緒之間就是同步的；
2).否則，這些執行緒之間就是非同步的。

看下面的例子：

//資源類
class MyService {
    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();
        }
    }
}

//執行緒B
class ThreadB extends Thread {

    private MyService service;

    public ThreadB(MyService service) {
        super();
        this.service = service;
    }

    @Override
    public void run() {
        service.testMethod();
    }
}

//執行緒A
class ThreadA extends Thread {

    private MyService service;

    public ThreadA(MyService service) {
        super();
        this.service = service;
    }

    @Override
    public void run() {
        service.testMethod();
    }
}

//測試
public class Run1 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        //臨界資源
        MyService service = new MyService();

        //執行緒A
        ThreadA a = new ThreadA(service);
        a.setName("A");

        //執行緒B
        ThreadB b = new ThreadB(service);
        b.setName("B");

        a.start();
        Thread.sleep(50);// 存在50毫秒
        b.start();
    }
}/* Output(迴圈): 
       A begin 1484319778766
       B begin 1484319778815
       A   end 1484319780766
       B   end 1484319780815
 *///:~

由上述結果可知，執行緒 A、B 是非同步的。因為50毫秒過後，執行緒B 取得的鎖物件是 “456”，而執行緒A 依然持有的鎖物件是 “123”。所以，這兩個執行緒是非同步的。若將上述語句 “Thread.sleep(50);” 註釋，則有：

//測試
public class Run1 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        //臨界資源
        MyService service = new MyService();

        //執行緒A
        ThreadA a = new ThreadA(service);
        a.setName("A");

        //執行緒B
        ThreadB b = new ThreadB(service);
        b.setName("B");

        a.start();
        // Thread.sleep(50);// 存在50毫秒
        b.start();
    }
}/* Output(迴圈): 
       B begin 1484319952017
       B   end 1484319954018
       A begin 1484319954018
       A   end 1484319956019
 *///:~

由上述結果可知，執行緒 A、B 是同步的。因為執行緒 A、B 競爭的是同一個鎖“123”，雖然先獲得執行的執行緒將 lock 指向了物件“456”，但結果還是同步的。因為執行緒 A 和 B 共同爭搶的鎖物件是“123”，也就是說，鎖的是物件而非引用。

六. 總結

用一句話來說，synchronized 內建鎖是一種物件鎖 (鎖的是物件而非引用)，作用粒度是物件，可以用來實現對臨界資源的同步互斥訪問，是可重入的。特別地，對於臨界資源有：

若該資源是靜態的，即被 static 關鍵字修飾，那麼訪問它的方法必須是同步且是靜態的，synchronized 塊必須是 class鎖；
若該資源是非靜態的，即沒有被 static 關鍵字修飾，那麼訪問它的方法必須是同步的，synchronized 塊是例項物件鎖；

實質上，關鍵字synchronized 主要包含兩個特徵：

互斥性：保證在同一時刻，只有一個執行緒可以執行某一個方法或某一個程式碼塊；
可見性：保證執行緒工作記憶體中的變數與公共記憶體中的變數同步，使多執行緒讀取共享變數時可以獲得最新值的使用。

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