【Java -- 基础】关键字 synchronized

前言

在 Java 中，有一个常被忽略但非常重要的关键字 synchronized 。

一、关键字 synchronized 1. 作用

保证同一时刻最多只有 1 个线程执行 被 synchronized 修饰的方法 / 代码

2. 应用场景

保证线程安全，解决多线程中的并发同步问题（实现的是阻塞型并发），具体场景如下：

• 修饰 实例方法 / 代码块时，（同步）保护的是同一个对象方法的调用 & 当前实例对象
• 修饰 静态方法 / 代码块时，（同步）保护的是 静态方法的调用 & class 类对象

3. 原理

• 依赖 JVM 实现同步
• 底层通过一个监视器对象（monitor）完成， wait（）、notify（） 等方法也依赖于 monitor 对象

监视器锁（monitor）的本质 依赖于 底层操作系统的互斥锁（Mutex Lock）实现

4. 使用

synchronized 用于 修饰 代码块、类的实例方法 & 静态方法

4.1 锁的类型 & 等级 由于synchronized 会修饰 代码块、类的实例方法 & 静态方法，故分为不同锁的类型。

4.2 使用规则 4.3 使用方式

/**
 * 对象锁
 */
    public class Test{ 
    // 对象锁：形式1(方法锁) 
    public synchronized void Method1(){ 
        System.out.println("我是对象锁也是方法锁"); 
        try{ 
            Thread.sleep(500); 
        } catch (InterruptedException e){ 
            e.printStackTrace(); 
        } 
 
    } 
 
    // 对象锁：形式2（代码块形式） 
    public void Method2(){ 
        synchronized (this){ 
            System.out.println("我是对象锁"); 
            try{ 
                Thread.sleep(500); 
            } catch (InterruptedException e){ 
                e.printStackTrace(); 
            } 
        } 
 
    } 
 ｝

/**
 * 方法锁（即对象锁中的形式1）
 */
    public synchronized void Method1(){ 
        System.out.println("我是对象锁也是方法锁"); 
        try{ 
            Thread.sleep(500); 
        } catch (InterruptedException e){ 
            e.printStackTrace(); 
        } 
 
    } 

/**
 * 类锁
 */
public class Test{ 
　　 // 类锁：形式1 ：锁静态方法
    public static synchronized void Method1(){ 
        System.out.println("我是类锁一号"); 
        try{ 
            Thread.sleep(500); 
        } catch (InterruptedException e){ 
            e.printStackTrace(); 
        } 
 
    } 
 
    // 类锁：形式2 ：锁静态代码块
    public void Method2(){ 
        synchronized (Test.class){ 
            System.out.println("我是类锁二号"); 
            try{ 
                Thread.sleep(500); 
            } catch (InterruptedException e){ 
                e.printStackTrace(); 
            } 
 
        } 
 
    } 
｝

特别注意: synchronized 修饰方法时存在缺陷：若修饰 1 个大的方法，将会大大影响效率

• 示例 若使用 synchronized 关键字修饰 线程类的 run()，由于run()在线程的整个生命期内一直在运行，因此将导致它对本类任何synchronized方法的调用都永远不会成功

• 解决方案 使用 synchronized 关键字声明代码块

该解决方案灵活性高：可针对任意代码块 & 任意指定上锁的对象

代码如下
  synchronized(syncObject) { 
    // 访问或修改被锁保护的共享状态 
    // 上述方法 必须 获得对象 syncObject（类实例或类）的锁
}

二、CAS

• 定义 Compare And Swap，即 比较并交换，是一种解决并发操作的乐观锁

synchronized 锁住的代码块：同一时刻只能由一个线程访问，属于悲观锁

• 原理

// CAS的操作参数
内存位置（A）
预期原值（B）
预期新值（C）

// 使用CAS解决并发的原理：
// 1. 首先比较A、B，若相等，则更新A中的值为C、返回True；若不相等，则返回false；
// 2. 通过死循环，以不断尝试尝试更新的方式实现并发

// 伪代码如下
public boolean compareAndSwap(long memoryA, int oldB, int newC){
    if(memoryA.get() == oldB){
        memoryA.set(newC);
        return true;
    }
    return false;
}

• 优点 资源耗费少：相对于synchronized，省去了挂起线程、恢复线程的开销

但，若迟迟得不到更新，死循环对CPU资源也是一种浪费

• 具体实现方式
  • 使用 CAS 有个“先检查后执行”的操作
  • 而这种操作在 Java 中是典型的不安全的操作，所以 CAS 在实际中是由 C++ 通过调用 CPU 指令实现的
  • 具体过程

1. CAS在Java中的体现为Unsafe类
2. Unsafe类会通过C++直接获取到属性的内存地址
3. 接下来CAS由C++的Atomic::cmpxchg系列方法实现

• 典型应用：AtomicInteger 对 i++ 与 i–，通过 compareAndSet & 一个死循环实现

   private volatile int value; 
    /** 
     * Gets the current value. 
     * 
     * @return the current value 
     */ 
    public final int get() { 
        return value; 
    } 
    /** 
     * Atomically increments by one the current value. 
     * 
     * @return the previous value 
     */ 
    public final int getAndIncrement() { 
        for (;;) { 
            int current = get(); 
            int next = current + 1; 
            if (compareAndSet(current, next)) 
                return current; 
        } 
    } 
 
    /** 
     * Atomically decrements by one the current value. 
     * 
     * @return the previous value 
     */ 
    public final int getAndDecrement() { 
        for (;;) { 
            int current = get(); 
            int next = current - 1; 
            if (compareAndSet(current, next)) 
                return current; 
        } 
    }