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java高并发系列 - 第10天:线程安全和synchronized关键字

什么是线程安全?

当多个线程去访问同一个类(对象或方法)的时候,该类都能表现出正常的行为(与自己预想的结果一致),那我们就可以所这个类是线程安全的。

看一段代码:

        
        
      

Demo1中有个静态变量num,默认值是0,m1()方法中对num++执行10000次,main方法中创建了3个线程用来调用m1()方法,然后调用3个线程的join()方法,用来等待3个线程执行完毕之后,打印num的值。我们期望的结果是30000,运行一下,但真实的结果却不是30000。上面的程序在多线程中表现出来的结果和预想的结果不一致,说明上面的程序不是线程安全的。

线程安全是并发编程中的重要关注点,应该注意到的是,造成线程安全问题的主要诱因有两点:

  1. 一是存在共享数据(也称临界资源)
  2. 二是存在多条线程共同操作共享数据

因此为了解决这个问题,我们可能需要这样一个方案,当存在多个线程操作共享数据时,​需要保证同一时刻有且只有一个线程在操作共享数据​,其他线程必须等到该线程处理完数据后再进行,这种方式有个高尚的名称叫​互斥锁​,即能达到互斥访问目的的锁,也就是说当一个共享数据被当前正在访问的线程加上互斥锁后,在同一个时刻,其他线程只能处于等待的状态,直到当前线程处理完毕释放该锁。在 Java 中,​**关键字 synchronized可以保证在同一个时刻,只有一个线程可以执行某个方法或者某个代码块(主要是对方法或者代码块中存在共享数据的操作)​,​同时我们还应该注意到synchronized另外一个重要的作用,synchronized可保证一个线程的变化(主要是共享数据的变化)被其他线程所看到(保证可见性,完全可以替代volatile功能)**​,这点确实也是很重要的。

那么我们把上面的程序做一下调整,在m1()方法上面使用关键字synchronized,如下:

        
        
      

然后执行代码,输出30000,和期望结果一致。

synchronized主要有3种使用方式

1、修饰实例方法,作用于当前实例,进入同步代码前需要先获取实例的锁

2、修饰静态方法,作用于类的Class对象,进入修饰的静态方法前需要先获取类的Class对象的锁

3、修饰代码块,需要指定加锁对象(记做lockobj),在进入同步代码块前需要先获取lockobj的锁

synchronized作用于实例对象

所谓实例对象锁就是用synchronized修饰实例对象的实例方法,注意是​实例方法​,不是​静态方法​,如:

        
        
      

main()方法中创建了一个对象demo2和2个线程t1、t2,t1、t2中调用demo2的add()方法10000次,add()方法中执行了num++,num++实际上是分3步,获取num,然后将num+1,然后将结果赋值给num,如果t2在t1读取num和num+1之间获取了num的值,那么t1和t2会读取到同样的值,然后执行num++,两次操作之后num是相同的值,最终和期望的结果不一致,造成了线程安全失败,因此我们对add方法加了synchronized来保证线程安全。

注意:m1()方法是实例方法,两个线程操作m1()时,需要先获取demo2的锁,没有获取到锁的,将等待,直到其他线程释放锁为止。

synchronize作用于实例方法需要注意:

1、实例方法上加synchronized,线程安全的前提是,多个线程操作的是​同一个实例​,如果多个线程作用于不同的实例,那么线程安全是无法保证的

2、同一个实例的多个实例方法上有synchronized,这些方法都是互斥的,同一时间只允许一个线程操作同一个实例的其中的一个synchronized方法

synchronized作用于静态方法

当synchronized作用于静态方法时,锁的对象就是当前类的Class对象。如:

        
        
      

上面代码打印30000,和期望结果一致。m1()方法是静态方法,有synchronized修饰,锁用于与Demo3.class对象,和下面的写法类似:

        
        
      

synchronized同步代码块

除了使用关键字修饰实例方法和静态方法外,还可以使用同步代码块,在某些情况下,我们编写的方法体可能比较大,同时存在一些比较耗时的操作,而需要同步的代码又只有一小部分,如果直接对整个方法进行同步操作,可能会得不偿失,此时我们可以使用同步代码块的方式对需要同步的代码进行包裹,这样就无需对整个方法进行同步操作了,同步代码块的使用示例如下:

        
        
      

从代码看出,将synchronized作用于一个给定的实例对象instance,即当前实例对象就是锁对象,每次当线程进入synchronized包裹的代码块时就会要求当前线程持有instance实例对象锁,如果当前有其他线程正持有该对象锁,那么新到的线程就必须等待,这样也就保证了每次只有一个线程执行i++;操作。当然除了instance作为对象外,我们还可以使用this对象(代表当前实例)或者当前类的class对象作为锁,如下代码:

        
        
      

分析代码是否互斥的方法,先找出synchronized作用的对象是谁,如果多个线程操作的方法中synchronized作用的锁对象一样,那么这些线程同时异步执行这些方法就是互斥的。如下代码:

        
        
      

分析上面代码:

1、线程t1、t2、t3中调用的方法都需要获取d1的锁,所以他们是互斥的

2、t1/t2/t3这3个线程和t4不互斥,他们可以同时运行,因为前面三个线程依赖于d1的锁,t4依赖于d2的锁

3、t5、t6都作用于当前类的Class对象锁,所以这两个线程是互斥的,和其他几个线程不互斥


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