07.synchronized都問啥？

王有志發表於2023-01-05
synchronized

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如果Java面試有什麼是必問的，synchronized必定佔據一席之地。初出茅廬時synchronized的用法，成長後synchronized的原理，可謂是Java工程師的“一生之敵”。

synchronized都問啥？

按照慣例，先來看synchronized的常見問題：

根據統計資料可以總結出synchronized的5大考點：

  • synchronized的使用方式：
    • synchronized是什麼？
    • synchronized怎麼用？
    • 不同用法都有什麼效果？
  • synchronized的實現原理：
    • synchronized的特性是如何實現的？
    • synchronized鎖升級的原理。

今天我們先來看synchronized的基礎部分。

synchronized是什麼？

synchronized是Java中的關鍵字，提供了原生同步機制，實現互斥語義和可見性保證，通常稱為互斥鎖。

  • 互斥指的是，當執行緒獲取到鎖後，其它試圖獲取鎖的執行緒只能阻塞；
  • 可見性指的是，synchronized修飾的語句內修改共享變數可以立即被其它執行緒獲取。

互斥就意味著，同一時間只有一個執行緒執行synchronized修飾的程式碼，那麼：

  • 無論怎麼重排序，都會遵循as-if-serial語義，因此synchronized中不存在有序性問題；
  • 不主動釋放鎖，其他執行緒無法執行synchronized中程式碼，無需考慮原子性問題。

因此synchronized中互斥就代表了對有序性問題和原子性問題的保證。不過前提是JSR-133中反覆提到的correctly synchronized（正確的同步），舉個例子：

public class IncorrectlySynchronized {

    private Integer count = 0;

    public  void add() {
        synchronized (count) {
            count++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        IncorrectlySynchronized incorrectlySynchronized = new IncorrectlySynchronized();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                incorrectlySynchronized.add();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(()-> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                incorrectlySynchronized.add();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(incorrectlySynchronized.count);
    }
}

看似該加synchronized的地方都加了，但是結果卻會出乎意料，這就典型的錯誤同步的例子。

synchronized鎖什麼？

既然是鎖，那麼synchronized鎖的是什麼呢？

《The Java Language Specification》中描述（節選）到：

Each object in Java is associated with a monitor, which a thread can lock or unlock.
The synchronized statement computes a reference to an object; it then attempts to perform a lock action on that object's monitor and does not proceed further until the lock action has successfully completed.

Java中每個物件都與一個監視器關聯，執行緒可以鎖定或者解鎖該監視器。synchronized語句嘗試鎖定與物件關聯的監視器，鎖定成功後才可以繼續執行。

通常，我們將synchronized鎖定與物件關聯的監視器理解為synchronized鎖定物件本身。

在我們知道synchronized鎖什麼後，再去看用法，很多內容就會一目瞭然了。

synchronized怎麼用？

作為關鍵字，synchronized有兩種用法：

  • 修飾程式碼塊
  • 修飾方法
    • 修飾成員方法
    • 修飾靜態方法

之前有個同事特別迷信“背技術”，為了區分不同用法的效果，背了某機構的“執行緒八鎖”，但每過一段時間就會忘記。

其實，知道了synchronized鎖什麼，不同用法的效果自然就出來了，看一個例子：

public class SynchronizedDemo {
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
	    SynchronizedDemo synchronizedDemo = new SynchronizedDemo();
	    Thread t1 = new Thread(synchronizedDemo::lockMemberMethod1);
	    Thread t2 = new Thread(synchronizedDemo::lockMemberMethod2);
	    t1.start();
	    // 確保t1先執行
	    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
	    t2.start();
	}

	private synchronized void lockMemberMethod1() {
	    System.out.println("方法1");
	    try {
	        TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
	    } catch (InterruptedException e) {
	        e.printStackTrace();
	    }
	}

	private synchronized void lockMemberMethod2() {
	    System.out.println("方法2");
	}
}

透過例項變數呼叫成員方法時，會隱式的傳遞this。這個例子中，t1和t2想鎖定的監視器是誰的？synchronizedDemo物件的。t1先獲取到，那麼t2只能等待t1釋放後再獲取了。

那此時的鎖定範圍是什麼？synchronizedDemo物件。

修改下程式碼：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
	SynchronizedDemo synchronizedDemo = new SynchronizedDemo();
	SynchronizedDemo synchronizedDemo2 = new SynchronizedDemo();
	Thread t1 = new Thread(synchronizedDemo::lockMemberMethod1);
	Thread t2 = new Thread(synchronizedDemo2::lockMemberMethod2);
	t1.start();
	t2.start();
}

t2不再爭奪synchronizedDemo而是爭奪synchronizedDemo2，結果上也能看出t1和t2之間不存在競爭關係。

那麼使用synchronized修飾靜態方法和程式碼塊是什麼效果呢？

private static synchronized void lockStaticMethod() {
    System.out.println("靜態方法！"); 
}

private void lockCodeBlock(int count) {
    synchronized (this) {
        System.out.println("成員方法的程式碼塊！");
    }
}

使用synchronized修飾靜態方法，鎖定的物件是SynchronizedDemo.class。所有SynchronizedDemo的例項物件共用同一個SynchronizedDemo.class，同一時間不同變數，只有一個執行緒可以執行lockStaticMethod方法。

至於synchronized修飾程式碼塊，就比較靈活了，括號中是誰就鎖定誰。如果是this就鎖定例項變數，如果是SynchronizedDemo.class效果就和修飾靜態方法一樣。

至於前面錯誤的同步的例子，它的問題是count物件在不斷變化（Integer實現相關）的，因此synchronized鎖定的並不是同一個物件。

結語

今天的內容非常基礎，難度也不大。

重點可以放在synchronized鎖什麼的部分，以及是如何推匯出synchronized不同用法產生的不同效果的。這樣的方式更接近於問題的本質，也能更好的舉一反三，而不是死記硬背“執行緒八鎖”這種東西。

好了，今天就到這裡了，Bye~~

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