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Java 并发编程：Synchronized 及其实现原理

发布日期：2019-07-31 16:08:56点击次数：次

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　　一、Synchronized的基本使用

　　Synchronized是Java中解决并发问题的一种最常用的方法，也是最简单的一种方法。

　　Synchronized的作用主要有三个：

　　（1）确保线程互斥的访问同步代码

　　（2）保证共享变量的修改能够及时可见

　　（3）有效解决重排序问题。

　　从语法上讲，Synchronized总共有三种用法：

　　1、修饰普通方法

　　2、修饰静态方法

　　3、修饰代码块

　　接下来我就通过几个例子程序来说明一下这三种使用方式（为了便于比较，三段代码除了Synchronized的使用方式不同以外，其他基本保持一致）。

　　1、没有同步的情况：

　　packagecom.paddx.test.concurrent;

　　publicclassSynchronizedTest{

　　publicvoidmethod1(){

　　System.out.println("Method1start");

　　try{

　　System.out.println("Method1execute");

　　Thread.sleep(3000);

　　}catch(InterruptedExceptione){

　　e.printStackTrace();

　　}

　　System.out.println("Method1end");

　　}

　　publicvoidmethod2(){

　　System.out.println("Method2start");

　　try{

　　System.out.println("Method2execute");

　　Thread.sleep(1000);

　　}catch(InterruptedExceptione){

　　e.printStackTrace();

　　}

　　System.out.println("Method2end");

　　}

　　publicstaticvoidmain(String[]args){

　　finalSynchronizedTesttest=newSynchronizedTest();

　　newThread(newRunnable(){

　　@Override

　　publicvoidrun(){

　　test.method1();

　　}

　　}).start();

　　newThread(newRunnable(){

　　@Override

　　publicvoidrun(){

　　test.method2();

　　}

　　}).start();

　　}

　　}

　　执行结果如下，线程1和线程2同时进入执行状态，线程2执行速度比线程1快，所以线程2先执行完成，这个过程中线程1和线程2是同时执行的。

　　Method1start

　　Method1execute

　　Method2start

　　Method2execute

　　Method2end

　　Method1end

　　2、对普通方法同步：

　　代码段二：

　　packagecom.paddx.test.concurrent;

　　publicclassSynchronizedTest{

　　publicsynchronizedvoidmethod1(){

　　System.out.println("Method1start");

　　try{

　　System.out.println("Method1execute");

　　Thread.sleep(3000);

　　}catch(InterruptedExceptione){

　　e.printStackTrace();

　　}

　　System.out.println("Method1end");

　　}

　　publicsynchronizedvoidmethod2(){

　　System.out.println("Method2start");

　　try{

　　System.out.println("Method2execute");

　　Thread.sleep(1000);

　　}catch(InterruptedExceptione){

　　e.printStackTrace();

　　}

　　System.out.println("Method2end");

　　}

　　publicstaticvoidmain(String[]args){

　　finalSynchronizedTesttest=newSynchronizedTest();

　　newThread(newRunnable(){

　　@Override

　　publicvoidrun(){

　　test.method1();

　　}

　　}).start();

　　newThread(newRunnable(){

　　@Override

　　publicvoidrun(){

　　test.method2();

　　}

　　}).start();

　　}

　　}

　　执行结果如下，跟代码段一比较，可以很明显的看出，线程2需要等待线程1的method1执行完成才能开始执行method2方法。

　　Method1start

　　Method1execute

　　Method1end

　　Method2start

　　Method2execute

　　Method2end

　　3、静态方法（类）同步

　　代码段三：

　　packagecom.paddx.test.concurrent;

　　publicclassSynchronizedTest{

　　publicstaticsynchronizedvoidmethod1(){

　　System.out.println("Method1start");

　　try{

　　System.out.println("Method1execute");

　　Thread.sleep(3000);

　　}catch(InterruptedExceptione){

　　e.printStackTrace();

　　}

　　System.out.println("Method1end");

　　}

　　publicstaticsynchronizedvoidmethod2(){

　　System.out.println("Method2start");

　　try{

　　System.out.println("Method2execute");

　　Thread.sleep(1000);

　　}catch(InterruptedExceptione){

　　e.printStackTrace();

　　}

　　System.out.println("Method2end");

　　}

　　publicstaticvoidmain(String[]args){

　　finalSynchronizedTesttest=newSynchronizedTest();

　　finalSynchronizedTesttest2=newSynchronizedTest();

　　newThread(newRunnable(){

　　@Override

　　publicvoidrun(){

　　test.method1();

　　}

　　}).start();

　　newThread(newRunnable(){

　　@Override

　　publicvoidrun(){

　　test2.method2();

　　}

　　}).start();

　　}

　　}

　　执行结果如下，对静态方法的同步本质上是对类的同步（静态方法本质上是属于类的方法，而不是对象上的方法），所以即使test和test2属于不同的对象，但是它们都属于SynchronizedTest类的实例，所以也只能顺序的执行method1和method2，不能并发执行。

　　Method1start

　　Method1execute

　　Method1end

　　Method2start

　　Method2execute

　　Method2end

　　4、代码块同步

　　代码段四：

　　packagecom.paddx.test.concurrent;

　　publicclassSynchronizedTest{

　　publicvoidmethod1(){

　　System.out.println("Method1start");

　　try{

　　synchronized(this){

　　System.out.println("Method1execute");

　　Thread.sleep(3000);

　　}

　　}catch(InterruptedExceptione){

　　e.printStackTrace();

　　}

　　System.out.println("Method1end");

　　}

　　publicvoidmethod2(){

　　System.out.println("Method2start");

　　try{

　　synchronized(this){

　　System.out.println("Method2execute");

　　Thread.sleep(1000);

　　}

　　}catch(InterruptedExceptione){

　　e.printStackTrace();

　　}

　　System.out.println("Method2end");

　　}

　　publicstaticvoidmain(String[]args){

　　finalSynchronizedTesttest=newSynchronizedTest();

　　newThread(newRunnable(){

　　@Override

　　publicvoidrun(){

　　test.method1();

　　}

　　}).start();

　　newThread(newRunnable(){

　　@Override

　　publicvoidrun(){

　　test.method2();

　　}

　　}).start();

　　}

　　}

　　执行结果如下，虽然线程1和线程2都进入了对应的方法开始执行，但是线程2在进入同步块之前，需要等待线程1中同步块执行完成。

　　Method1start

　　Method1execute

　　Method2start

　　Method1end

　　Method2execute

　　Method2end

　　二、Synchronized原理

　　如果对上面的执行结果还有疑问，也先不用急，我们先来了解Synchronized的原理，再回头上面的问题就一目了然了。我们先通过反编译下面的代码来看看Synchronized是如何实现对代码块进行同步的：

　　packagecom.paddx.test.concurrent;

　　publicclassSynchronizedDemo{

　　publicvoidmethod(){

　　synchronized(this){

　　System.out.println("Method1start");

　　}

　　}

　　}

　　反编译结果：

Java 并发编程：Synchronized 及其实现原理

　　关于这两条指令的作用，我们直接参考JVM规范中描述：

　　monitorenter：

　　Eachobjectisassociatedwithamonitor.Amonitorislockedifandonlyifithasanowner.Thethreadthatexecutesmonitorenterattemptstogainownershipofthemonitorassociatedwithobjectref,asfollows:

　　•Iftheentrycountofthemonitorassociatedwithobjectrefiszero,thethreadentersthemonitorandsetsitsentrycounttoone.Thethreadisthentheownerofthemonitor.

　　•Ifthethreadalreadyownsthemonitorassociatedwithobjectref,itreentersthemonitor,incrementingitsentrycount.

　　•Ifanotherthreadalreadyownsthemonitorassociatedwithobjectref,thethreadblocksuntilthemonitor'sentrycountiszero,thentriesagaintogainownership.

　　这段话的大概意思为：

　　每个对象有一个监视器锁（monitor）。当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权，过程如下：

　　如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者。

　　如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1.

　　如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权。

　　monitorexit：

　　Thethreadthatexecutesmonitorexitmustbetheownerofthemonitorassociatedwiththeinstancereferencedbyobjectref.

　　Thethreaddecrementstheentrycountofthemonitorassociatedwithobjectref.Ifasaresultthevalueoftheentrycountiszero,thethreadexitsthemonitorandisnolongeritsowner.Otherthreadsthatareblockingtoenterthemonitorareallowedtoattempttodoso.

　　这段话的大概意思为：

　　执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者。

　　指令执行时，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个monitor的所有权。

　　通过这两段描述，我们应该能很清楚的看出Synchronized的实现原理，Synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来完成，其实wait/notify等方法也依赖于monitor对象，这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法，否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。

　　我们再来看一下同步方法的反编译结果：

　　源代码：

　　packagecom.paddx.test.concurrent;

　　publicclassSynchronizedMethod{

　　publicsynchronizedvoidmethod(){

　　System.out.println("HelloWorld!");

　　}

　　}

　　反编译结果：
Java 并发编程：Synchronized 及其实现原理

　　从反编译的结果来看，方法的同步并没有通过指令monitorenter和monitorexit来完成（理论上其实也可以通过这两条指令来实现），不过相对于普通方法，其常量池中多了ACC_SYNCHRONIZED标示符。JVM就是根据该标示符来实现方法的同步的：当方法调用时，调用指令将会检查方法的ACC_SYNCHRONIZED访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先获取monitor，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放monitor。在方法执行期间，其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象。其实本质上没有区别，只是方法的同步是一种隐式的方式来实现，无需通过字节码来完成。

　　三、运行结果解释

　　有了对Synchronized原理的认识，再来看上面的程序就可以迎刃而解了。

　　1、代码段2结果：

　　虽然method1和method2是不同的方法，但是这两个方法都进行了同步，并且是通过同一个对象去调用的，所以调用之前都需要先去竞争同一个对象上的锁（monitor），也就只能互斥的获取到锁，因此，method1和method2只能顺序的执行。

　　2、代码段3结果：

　　虽然test和test2属于不同对象，但是test和test2属于同一个类的不同实例，由于method1和method2都属于静态同步方法，所以调用的时候需要获取同一个类上monitor（每个类只对应一个class对象），所以也只能顺序的执行。

　　3、代码段4结果：

　　对于代码块的同步实质上需要获取Synchronized关键字后面括号中对象的monitor，由于这段代码中括号的内容都是this，而method1和method2又是通过同一的对象去调用的，所以进入同步块之前需要去竞争同一个对象上的锁，因此只能顺序执行同步块。

　　四、总结

　　Synchronized是Java并发编程中最常用的用于保证线程安全的方式，其使用相对也比较简单。但是如果能够深入了解其原理，对监视器锁等底层知识有所了解，一方面可以帮助我们正确的使用Synchronized关键字，另一方面也能够帮助我们更好的理解并发编程机制，有助我们在不同的情况下选择更优的并发策略来完成任务。对平时遇到的各种并发问题，也能够从容的应对。

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