Java同步机制浅谈 synchronized

Java对多线程的支持与同步机制深受大家的喜爱，似乎看起来使用了synchronized关键字就可以轻松地解决多线程共享数据同步问题。到底如何？――还得对synchronized关键字的作用进行深入了解才可定论。

总的说来，synchronized关键字可以作为函数的修饰符，也可作为函数内的语句，也就是平时说的同步方法和同步语句块。如果再细的分类，synchronized可作用于instance变量、object reference（对象引用）、static函数和class literals(类名称字面常量)身上。

在进一步阐述之前，我们需要明确几点：

A．无论synchronized关键字加在方法上还是对象上，它取得的锁都是对象，而不是把一段代码或函数当作锁――而且同步方法很可能还会被其他线程的对象访问。

B．每个对象只有一个锁（lock）与之相关联。

C．实现同步是要很大的系统开销作为代价的，甚至可能造成死锁，所以尽量避免无谓的同步控制。

接着来讨论synchronized用到不同地方对代码产生的影响：

假设P1、P2是同一个类的不同对象，这个类中定义了以下几种情况的同步块或同步方法，P1、P2就都可以调用它们。

1． 把synchronized当作函数修饰符时，示例代码如下：

Public synchronized void methodAAA()

{

//….

}

这也就是同步方法，那这时synchronized锁定的是哪个对象呢？它锁定的是调用这个同步方法对象。也就是说，当一个对象P1在不同的线程中执行这个同步方法时，它们之间会形成互斥，达到同步的效果。但是这个对象所属的Class所产生的另一对象P2却可以任意调用这个被加了synchronized关键字的方法。

上边的示例代码等同于如下代码：

public void methodAAA()

{

synchronized (this)      // (1)

{

       //…..

}

}

(1)处的this指的是什么呢？它指的就是调用这个方法的对象，如P1。可见同步方法实质是将synchronized作用于object reference。――那个拿到了P1对象锁的线程，才可以调用P1的同步方法，而对P2而言，P1这个锁与它毫不相干，程序也可能在这种情形下摆脱同步机制的控制，造成数据混乱：（

2．同步块，示例代码如下：

          public void method3(SomeObject so)

              {

                     synchronized(so)

{

       //…..

}

}

这时，锁就是so这个对象，谁拿到这个锁谁就可以运行它所控制的那段代码。当有一个明确的对象作为锁时，就可以这样写程序，但当没有明确的对象作为锁，只是想让一段代码同步时，可以创建一个特殊的instance变量（它得是一个对象）来充当锁：

class Foo implements Runnable

{

       private byte[] lock = new byte[0]; // 特殊的instance变量

    Public void methodA()

{

       synchronized(lock) { //… }

}

//…..

}

注：零长度的byte数组对象创建起来将比任何对象都经济――查看编译后的字节码：生成零长度的byte[]对象只需3条操作码，而Object lock = new Object()则需要7行操作码。

3．将synchronized作用于static 函数，示例代码如下：

     Class Foo

{

public synchronized static void methodAAA()   // 同步的static 函数

{

//….

}

public void methodBBB()

{

       synchronized(Foo.class)   // class literal(类名称字面常量)

}

       }

   代码中的methodBBB()方法是把class literal作为锁的情况，它和同步的static函数产生的效果是一样的，取得的锁很特别，是当前调用这个方法的对象所属的类（Class，而不再是由这个Class产生的某个具体对象了）。

记得在《Effective Java》一书中看到过将 Foo.class和 P1.getClass()用于作同步锁还不一样，不能用P1.getClass()来达到锁这个Class的目的。P1指的是由Foo类产生的对象。

可以推断：如果一个类中定义了一个synchronized的static函数A，也定义了一个synchronized 的instance函数B，那么这个类的同一对象Obj在多线程中分别访问A和B两个方法时，不会构成同步，因为它们的锁都不一样。A方法的锁是Obj这个对象，而B的锁是Obj所属的那个Class。

小结如下：
搞清楚synchronized锁定的是哪个对象，就能帮助我们设计更安全的多线程程序。
还有一些技巧可以让我们对共享资源的同步访问更加安全：
1．   定义private 的instance变量+它的 get方法，而不要定义public/protected的instance变量。如果将变量定义为public，对象在外界可以绕过同步方法的控制而直接取得它，并改动它。这也是JavaBean的标准实现方式之一。

2．   如果instance变量是一个对象，如数组或ArrayList什么的，那上述方法仍然不安全，因为当外界对象通过get方法拿到这个instance对象的引用后，又将其指向另一个对象，那么这个private变量也就变了，岂不是很危险。这个时候就需要将get方法也加上synchronized同步，并且，只返回这个private对象的clone()――这样，调用端得到的就是对象副本的引用了。

 

******************

synchronized的作用（一）

synchronized的作用
一、同步方法
public synchronized void methodAAA(){

//….

}
锁定的是调用这个同步方法的对象

测试：
a、不使用这个关键字修饰方法，两个线程调用同一个对象的这个方法。
目标类：

 

1public class TestThread {
2    public  void execute(){  //synchronized,未修饰
3        for(int i=0;i<100;i++){
4              System.out.println(i);
5          }    
6      }
7}

 

线程类：

 

1public class ThreadA implements Runnable{
2      TestThread test=null;
3    public ThreadA(TestThread pTest){  //对象有外部引入，这样保证是同一个对象
4          test=pTest;
5      }
6    public void run() {
7          test.execute();
8      }
9}

调用：

1TestThread test=new TestThread();
2Runnable runabble=new ThreadA(test);
3Thread a=new Thread(runabble,"A");                
4a.start();
5Thread b=new Thread(runabble,"B");
6b.start();

 

结果：
输出的数字交错在一起。说明不是同步的，两个方法在不同的线程中是异步调用的。

b、修改目标类，增加synchronized修饰

 

1public class TestThread {
2    public synchronized  void execute(){  //synchronized修饰
3        for(int i=0;i<100;i++){
4              System.out.println(i);
5          }    
6      }
7}

 

结果：
输出的数字是有序的，首先输出A的数字，然后是B，说明是同步的，虽然是不同的线程，但两个方法是同步调用的。
注意：上面虽然是两个不同的线程，但是是同一个实例对象。下面使用不同的实例对象进行测试。

c、每个线程都有独立的TestThread对象。
目标类：

 

1public class TestThread {
2    public synchronized void execute(){  //synchronized修饰
3        for(int i=0;i<100;i++){
4              System.out.println(i);
5          }    
6      }
7}

线程类：

1public class ThreadA implements Runnable{
2    public void run() {
3          TestThread test=new TestThread();
4          test.execute();
5      }
6}
7

调用：

1Runnable runabble=new ThreadA();
2Thread a=new Thread(runabble,"A");                
3a.start();
4Thread b=new Thread(runabble,"B");
5b.start();

 

结果：
输出的数字交错在一起。说明虽然增加了synchronized 关键字来修饰方法，但是不同的线程调用各自的对象实例，两个方法仍然是异步的。

***********************

synchronized的作用（二）

引申：
对于这种多个实例，要想实现同步即输出的数字是有序并且按线程先后顺序输出，我们可以增加一个静态变量，对它进行加锁(后面将说明锁定的对象)。

修改目标类：

 

1public class TestThread {
2    private static Object lock=new Object(); //必须是静态的。
3    public  void execute(){
4        synchronized(lock){
5            for(int i=0;i<100;i++){
6                   System.out.println(i);
7               }    
8           }
9       }
10}

 

二、同步代码块

 

1public void method(SomeObject so){
2    synchronized(so)
3       //…..
4       }
5}

 

锁定一个对象，其实锁定的是该对象的引用（object reference）
谁拿到这个锁谁就可以运行它所控制的那段代码。当有一个明确的对象作为锁时，就可以按上面的代码写程序，但当没有明确的对象作为锁，只是想让一段代码同步时，可以创建一个特殊的instance变量（它必须是一个对象）来充当锁（上面的解决方法就是增加了一个状态锁）。

a、锁定一个对象，它不是静态的
private byte[] lock = new byte[0]; // 特殊的instance变量
目标类：

 

1public class TestThread {
2    private Object lock=new Object();
3    public  void execute(){
4        synchronized(lock){  //增加了个锁，锁定了对象lock，在同一个类实例中，是线程安全的，但不同的实例还是不安全的。
5
6因为不同的实例有不同对象锁lock
7            for(int i=0;i<100;i++){
8                   System.out.println(i);
9               }    
10           }
11       }
12}  

 

其实上面锁定一个方法，等同于下面的：

 

1public void execute(){  
2    synchronized(this){   //同步的是当然对象
3        for(int i=0;i<100;i++){
4               System.out.println(i);
5           }    
6       }
7}

 

***************************

synchronized的作用（三）

b、锁定一个对象或方法，它是静态的
这样锁定，它锁定的是对象所属的类
public synchronized    static void execute(){
      //...
}
等同于

 

1public class TestThread {
2    public static void execute(){
3        synchronized(TestThread.class){
4            //
5          }
6      }
7}

 

测试：

目标类：

 

1public class TestThread {
2    private static Object lock=new Object();
3    public synchronized static void execute(){  //同步静态方法
4        for(int i=0;i<100;i++){
5              System.out.println(i);
6          }    
7      }
8    public static void execute1(){
9        for(int i=0;i<100;i++){
10              System.out.println(i);
11          }    
12      }
13    public void test(){
14          execute();     //输出是有序的，说明是同步的
15        //execute1();  //输出是无须的，说明是异步的
16      }
17}

 

线程类：调用不同的方法，于是建立了两个线程类

 

1public class ThreadA implements Runnable{
2    public void run() {
3          TestThread.execute();//调用同步静态方法
4      }
5}
6public class ThreadB implements Runnable{
7    public void run() {
8          TestThread test=new TestThread();
9          test.test();//调用非同步非静态方法
10      }
11}

 

调用：

 

1Runnable runabbleA=new ThreadA();
2Thread a=new Thread(runabbleA,"A");                
3a.start();
4Runnable runabbleB=new ThreadB();
5Thread b=new Thread(runabbleB,"B");                
6b.start();

 

synchronized的作用（四）

注意:
1、用synchronized 来锁定一个对象的时候，如果这个对象在锁定代码段中被修改了，则这个锁也就消失了。看下面的实例：

目标类：

 

1public class TestThread {
2     private static final class TestThreadHolder {
3            private static TestThread theSingleton = new TestThread();
4            public static TestThread getSingleton() {
5                return theSingleton;
6              }
7            private TestThreadHolder() {
8              }
9          }
10     
11    private Vector ve =null;
12    private Object lock=new Object();
13    private TestThread(){
14          ve=new Vector();
15          initialize();
16      }
17    public static TestThread getInstance(){
18        return TestThreadHolder.getSingleton();
19      }
20    private void initialize(){
21        for(int i=0;i<100;i++){
22              ve.add(String.valueOf(i));
23          }
24      }
25    public void reload(){
26        synchronized(lock){
27              ve=null;            
28              ve=new Vector();
29                        //lock="abc";
30            for(int i=0;i<100;i++){
31                  ve.add(String.valueOf(i));
32              }
33          }
34          System.out.println("reload end");
35      }
36    
37    public boolean checkValid(String str){
38        synchronized(lock){
39              System.out.println(ve.size());
40            return ve.contains(str);
41          }
42      }
43}

 

说明：在reload和checkValid方法中都增加了synchronized关键字，对lock对象进行加锁。在不同线程中对同一个对象实例分别调用reload和checkValid方法。
在reload方法中，不修改lock对象即注释lock="abc"; ，结果在控制台输出reload end后才输出100。说明是同步调用的。
如果在reload方法中修改lock对象即去掉注释，结果首先输出了一个数字(当前ve的大小)，然后输出reload end。说明是异步调用的。

2、单例模式中对多线程的考虑