Java多線程（四）—— synchronized關鍵字續

1、synchronized原理

在java中，每一個對象有且僅有一個同步鎖。這也意味着，同步鎖是依賴於對象而存在。
當我們調用某對象的synchronized方法時，就獲取了該對象的同步鎖。例如，synchronized(obj)就獲取了“obj這個對象”的同步鎖。
不同線程對同步鎖的訪問是互斥的。也就是說，某時間點，對象的同步鎖只能被一個線程獲取到！通過同步鎖，我們就能在多線程中，實現對“對象/方法”的互斥訪問。 例如，現在有兩個線程A和線程B，它們都會訪問“對象obj的同步鎖”。假設，在某一時刻，線程A獲取到“obj的同步鎖”並在執行一些操作；而此時，線程B也企圖獲取“obj的同步鎖” —— 線程B會獲取失敗，它必須等待，直到線程A釋放了“該對象的同步鎖”之后線程B才能獲取到“obj的同步鎖”從而才可以運行。

2、synchronized基本原則

我們將synchronized的基本規則總結為下面3條，並通過實例對它們進行說明。
第一條: 當一個線程訪問“某對象”的“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”時，其他線程對“該對象”的該“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”的訪問將被阻塞。
第二條: 當一個線程訪問“某對象”的“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”時，其他線程仍然可以訪問“該對象”的非同步代碼塊。
第三條: 當一個線程訪問“某對象”的“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”時，其他線程對“該對象”的其他的“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”的訪問將被阻塞。

（1）當一個線程訪問“某對象”的“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”時，其他線程對“該對象”的該“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”的訪問將被阻塞。
下面是“synchronized代碼塊”對應的演示程序。

package com.demo.synchronize;

public class MyRunable implements Runnable{
    
    @Override
    public void run(){
        
        synchronized(this){
            try{
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " loop " + i);  
                }
            }catch(InterruptedException e){
                
            }
        }
    }
}

package com.demo.synchronize;

public class Demo1_1 {
    
    public static void main(String[] args) { 
        
        Runnable demo = new MyRunable();     // 新建“Runnable對象”
        
        Thread t1 = new Thread(demo, "t1");  // 新建“線程t1”, t1是基於demo這個Runnable對象
        Thread t2 = new Thread(demo, "t2");  // 新建“線程t2”, t2是基於demo這個Runnable對象
        t1.start();                          // 啟動“線程t1”
        t2.start();                          // 啟動“線程t2” 
    } 
}

運行結果：

t1 loop 0
t1 loop 1
t1 loop 2
t1 loop 3
t1 loop 4
t2 loop 0
t2 loop 1
t2 loop 2
t2 loop 3
t2 loop 4

結果說明：

run()方法中存在“synchronized(this)代碼塊”，而且t1和t2都是基於"demo這個Runnable對象"創建的線程。這就意味着，我們可以將synchronized(this)中的this看作是“demo這個Runnable對象”；因此，線程t1和t2共享“demo對象的同步鎖”。所以，當一個線程運行的時候，另外一個線程必須等待“運行線程”釋放“demo的同步鎖”之后才能運行。

如果你確認，你搞清楚這個問題了。那我們將上面的代碼進行修改，然后再運行看看結果怎么樣，看看你是否會迷糊。修改后的源碼如下：

package com.demo.synchronize;

public class MyThread extends Thread{
    
    public MyThread(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        synchronized(this) {
            try {  
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " loop " + i);  
                }
            } catch (InterruptedException ie) {  
            }
        }  
    }
}

package com.demo.synchronize;

public class Demo1_2 {
    
    public static void main(String[] args){
        Thread t1 = new MyThread("t1");  // 新建“線程t1”
        Thread t2 = new MyThread("t2");  // 新建“線程t2”
        t1.start(); // 啟動“線程t1”
        t2.start(); // 啟動“線程t2” 
    }
}

代碼說明：

比較Demo1_2 和 Demo1_1，我們發現，Demo1_2中的MyThread類是直接繼承於Thread，而且t1和t2都是MyThread子線程。
幸運的是，在“Demo1_2的run()方法”也調用了synchronized(this)，正如“Demo1_1的run()方法”也調用了synchronized(this)一樣！
那么，Demo1_2的執行流程是不是和Demo1_1一樣呢？

運行結果：

t2 loop 0
t1 loop 0
t2 loop 1
t1 loop 1
t1 loop 2
t2 loop 2
t2 loop 3
t1 loop 3
t2 loop 4
t1 loop 4

結果說明：

如果這個結果一點也不令你感到驚訝，那么我相信你對synchronized和this的認識已經比較深刻了。否則的話，請繼續閱讀這里的分析。
synchronized(this)中的this是指“當前的類對象”，即synchronized(this)所在的類對應的當前對象。它的作用是獲取“當前對象的同步鎖”。
對於Demo1_2中，synchronized(this)中的this代表的是MyThread對象，而t1和t2是兩個不同的MyThread對象，因此t1和t2在執行synchronized(this)時，獲取的是不同對象的同步鎖。對於Demo1_1對而言，synchronized(this)中的this代表的是MyRunable對象；t1和t2指的是同一個MyRunable對象，因此，一個線程獲取了對象的同步鎖，會造成另外一個線程等待。

（2）當一個線程訪問“某對象”的“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”時，其他線程仍然可以訪問“該對象”的非同步代碼塊。

下面是“synchronized代碼塊”對應的演示程序。

package com.demo.synchronize;

public class Count {

    // 含有synchronized同步塊的方法
    public void synMethod(){
        synchronized(this){
            try {  
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " synMethod loop " + i);  
                }
            } catch (InterruptedException ie) {  
            }
        }
    }
    
    // 非同步的方法
    public void nonSynMethod(){
         try {  
             for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Thread.sleep(100);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " nonSynMethod loop " + i);  
             }
         } catch (InterruptedException ie) {  
         }
    }
}

package com.demo.synchronize;

public class Demo2 {
    
    public static void main(String[] args){
        
        final Count count = new Count();
         // 新建t1, t1會調用“count對象”的synMethod()方法
        Thread t1 = new Thread(
            new Runnable(){
                @Override
                public void run(){
                    count.synMethod();
                }
            },"t1");
        // 新建t2, t2會調用“count對象”的nonSynMethod()方法
        Thread t2 = new Thread(
            new Runnable(){
                @Override
                public void run(){
                    count.nonSynMethod();
                }
            },"t2");
        
        t1.start(); // 啟動t1
        t2.start(); // 啟動t2
    }
}

運行結果：

t1 synMethod loop 0
t2 nonSynMethod loop 0
t2 nonSynMethod loop 1
t1 synMethod loop 1
t2 nonSynMethod loop 2
t1 synMethod loop 2
t2 nonSynMethod loop 3
t1 synMethod loop 3
t1 synMethod loop 4
t2 nonSynMethod loop 4

結果說明：

主線程中新建了兩個子線程t1和t2。t1會調用count對象的synMethod()方法，該方法內含有同步塊；而t2則會調用count對象的nonSynMethod()方法，該方法不是同步方法。t1運行時，雖然調用synchronized(this)獲取“count的同步鎖”；但是並沒有造成t2的阻塞，因為t2沒有用到“count”同步鎖。

（3）當一個線程訪問“某對象”的“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”時，其他線程對“該對象”的其他的“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”的訪問將被阻塞。

我們將上面的例子中的nonSynMethod()方法體的也用synchronized(this)修飾。修改后的源碼如下：

package com.demo.synchronize;

public class Count {

    // 含有synchronized同步塊的方法
    public void synMethod(){
        synchronized(this){
            try {  
                for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " synMethod loop " + i);  
                }
            } catch (InterruptedException ie) {  
            }
        }
    }
    
    // 也包含synchronized同步塊的方法
    public void nonSynMethod(){
        synchronized(this){
            try {  
                 for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    Thread.sleep(100);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " nonSynMethod loop " + i);  
                 }
             } catch (InterruptedException ie) {  
             }
        }
    }
}

package com.demo.synchronize;

public class Demo3 {
    
    public static void main(String[] args){
        
        final Count count = new Count();
         // 新建t1, t1會調用“count對象”的synMethod()方法
        Thread t1 = new Thread(
            new Runnable(){
                @Override
                public void run(){
                    count.synMethod();
                }
            },"t1");
        // 新建t2, t2會調用“count對象”的nonSynMethod()方法
        Thread t2 = new Thread(
            new Runnable(){
                @Override
                public void run(){
                    count.nonSynMethod();
                }
            },"t2");
        
        t1.start(); // 啟動t1
        t2.start(); // 啟動t2
    }
}

運行結果：

t1 synMethod loop 0
t1 synMethod loop 1
t1 synMethod loop 2
t1 synMethod loop 3
t1 synMethod loop 4
t2 nonSynMethod loop 0
t2 nonSynMethod loop 1
t2 nonSynMethod loop 2
t2 nonSynMethod loop 3
t2 nonSynMethod loop 4

結果說明：
主線程中新建了兩個子線程t1和t2。t1和t2運行時都調用synchronized(this)，這個this是Count對象(count)，而t1和t2共用count。因此，在t1運行時，t2會被阻塞，等待t1運行釋放“count對象的同步鎖”，t2才能運行。

3、synchronized方法和synchronized代碼塊

“synchronized方法”是用synchronized修飾方法，而 “synchronized代碼塊”則是用synchronized修飾代碼塊。

synchronized方法示例

public synchronized void foo1() {
    System.out.println("synchronized methoed");
}

synchronized代碼塊

public void foo2() {
    synchronized (this) {
        System.out.println("synchronized methoed");
    }
}

synchronized代碼塊中的this是指當前對象。也可以將this替換成其他對象，例如將this替換成obj，則foo2()在執行synchronized(obj)時就獲取的是obj的同步鎖。

synchronized代碼塊可以更精確的控制沖突限制訪問區域，有時候表現更高效率。下面通過一個示例來演示：

// Demo4.java的源碼
public class Demo4 {

    public synchronized void synMethod() {
        for(int i=0; i<1000000; i++)
            ;
    }

    public void synBlock() {
        synchronized( this ) {
            for(int i=0; i<1000000; i++)
                ;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Demo4 demo = new Demo4();

        long start, diff;
        start = System.currentTimeMillis();                // 獲取當前時間(millis)
        demo.synMethod();                                // 調用“synchronized方法”
        diff = System.currentTimeMillis() - start;        // 獲取“時間差值”
        System.out.println("synMethod() : "+ diff);
        
        start = System.currentTimeMillis();                // 獲取當前時間(millis)
        demo.synBlock();                                // 調用“synchronized方法塊”
        diff = System.currentTimeMillis() - start;        // 獲取“時間差值”
        System.out.println("synBlock()  : "+ diff);
    }
}

(某一次)執行結果：

synMethod() : 11
synBlock() : 3

4、實例鎖和全局鎖

實例鎖 -- 鎖在某一個實例對象上。如果該類是單例，那么該鎖也具有全局鎖的概念。實例鎖對應的就是synchronized關鍵字。
全局鎖 -- 該鎖針對的是類，無論實例多少個對象，那么線程都共享該鎖。全局鎖對應的就是static synchronized（或者是鎖在該類的class或者classloader對象上）。

關於“實例鎖”和“全局鎖”有一個很形象的例子：

pulbic class Something {
    public synchronized void isSyncA(){}
    public synchronized void isSyncB(){}
    public static synchronized void cSyncA(){}
    public static synchronized void cSyncB(){}
}

假設，Something有兩個實例x和y。分析下面4組表達式獲取的鎖的情況。
(01) x.isSyncA()與x.isSyncB()
(02) x.isSyncA()與y.isSyncA()
(03) x.cSyncA()與y.cSyncB()
(04) x.isSyncA()與Something.cSyncA()

(01) 不能被同時訪問。因為isSyncA()和isSyncB()都是訪問同一個對象(對象x)的同步鎖！

package com.demo.synchronize;

public class Something {
    
    public synchronized void isSyncA(){
        try{
            for(int i=0;i<5;i++){
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"：isSyncA");
            }
        }catch(InterruptedException ie){
            
        }
    }
    
    public synchronized void isSyncB(){
        try{
            for(int i=0;i<5;i++){
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"：isSyncB");
            }
        }catch(InterruptedException ie){
            
        }
    }
}

package com.demo.synchronize;

public class LockTest1 {
    
    Something x = new Something();
    Something y = new Something();
    
    // 比較x.isSyncA()與x.isSyncB() 
    private void test1(){
        // 新建t11, t11會調用 x.isSyncA()
        Thread t11 = new Thread(
            new Runnable(){
                @Override
                public void run(){
                    x.isSyncA();
                }
            },"t11");
        
        // 新建t12, t12會調用 x.isSyncB()
        Thread t12 = new Thread(
            new Runnable(){
                @Override
                public void run(){
                    x.isSyncB();
                }
            },"t12");
        
        t11.start(); // 啟動t11
        t12.start(); // 啟動t12
    }
    
    public static void main(String[] args){
        LockTest1 demo = new LockTest1();
        demo.test1();
    }
}

運行結果：

t11：isSyncA
t11：isSyncA
t11：isSyncA
t11：isSyncA
t11：isSyncA
t12：isSyncB
t12：isSyncB
t12：isSyncB
t12：isSyncB
t12：isSyncB

(02) 可以同時被訪問。因為訪問的不是同一個對象的同步鎖，x.isSyncA()訪問的是x的同步鎖，而y.isSyncA()訪問的是y的同步鎖。

package com.demo.synchronize;

public class LockTest2 {
    
    Something x = new Something();
    Something y = new Something();
    
    // 比較x.isSyncA()與y.isSyncA() 
    private void test2(){
        // 新建t21, t21會調用 x.isSyncA()
        Thread t21 = new Thread(
            new Runnable(){
                @Override
                public void run(){
                    x.isSyncA();
                }
            },"t21");
        
        // 新建t22, t22會調用y.isSyncA()
        Thread t22 = new Thread(
            new Runnable(){
                @Override
                public void run(){
                    y.isSyncA();
                }
            },"t22");
        
        t21.start(); // 啟動t21
        t22.start(); // 啟動t22
    }
    
    public static void main(String[] args){
        LockTest2 demo = new LockTest2();
        demo.test2();
    }
}

運行結果：

t21：isSyncA
t22：isSyncA
t21：isSyncA
t22：isSyncA
t21：isSyncA
t22：isSyncA
t21：isSyncA
t22：isSyncA
t21：isSyncA
t22：isSyncA

(03) 不能被同時訪問。在Something.java類中加入兩個靜態方法cSyncA()和cSyncB()，因為cSyncA()和cSyncB()都是static類型，x.cSyncA()相當於Something.cSyncA()，y.cSyncB()相當於Something.cSyncB()，因此它們共用一個同步鎖，不能被同時反問。

package com.demo.synchronize;

public class Something {
    
    public synchronized void isSyncA(){
        try{
            for(int i=0;i<5;i++){
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"：isSyncA");
            }
        }catch(InterruptedException ie){
            
        }
    }
    
    public synchronized void isSyncB(){
        try{
            for(int i=0;i<5;i++){
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"：isSyncB");
            }
        }catch(InterruptedException ie){
            
        }
    }
    
    public static synchronized void cSyncA(){
        try{
            for(int i=0;i<5;i++){
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"：cSyncA");
            }
        }catch(InterruptedException ie){
            
        }
    }
    
    public static synchronized void cSyncB(){
        try{
            for(int i=0;i<5;i++){
                Thread.sleep(100); // 休眠100ms
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"：cSyncB");
            }
        }catch(InterruptedException ie){
            
        }
    }
}

package com.demo.synchronize;

public class LockTest3 {
    
    Something x = new Something();
    Something y = new Something();
    
    // 比較 x.cSyncA()與y.cSyncB()
    private void test3(){
         // 新建t31, t31會調用 x.cSyncA()
        Thread t31 = new Thread(
            new Runnable(){
                @Override
                public void run(){
                    x.cSyncA();
                }
            },"t31");
        
        // 新建t32, t32會調用 y.cSyncB()
        Thread t32 = new Thread(
            new Runnable(){
                @Override
                public void run(){
                    y.cSyncB();
                }
            },"t32");
        
        t31.start(); // 啟動t31
        t32.start(); // 啟動t32
    }
    
    public static void main(String[] args){
        LockTest3 demo = new LockTest3();
        demo.test3();
    }
}

運行結果：

t31：cSyncA
t31：cSyncA
t31：cSyncA
t31：cSyncA
t31：cSyncA
t32：cSyncB
t32：cSyncB
t32：cSyncB
t32：cSyncB
t32：cSyncB

(04) 可以被同時訪問。因為isSyncA()是實例方法，x.isSyncA()使用的是對象x的鎖；而cSyncA()是靜態方法，Something.cSyncA()可以理解對使用的是“類的鎖”。因此，它們是可以被同時訪問的。

package com.demo.synchronize;

public class LockTest4 {

    Something x = new Something();
    Something y = new Something();
    
    // 比較x.isSyncA()與Something.cSyncA()
    private void test4(){
         // 新建t41, t41會調用 x.isSyncA()
        Thread t41 = new Thread(
            new Runnable(){
                @Override
                public void run(){
                    x.isSyncA();
                }
            },"t41");
        
        // 新建t42, t42會調用Something.cSyncA()
        Thread t42 = new Thread(
            new Runnable(){
                @Override
                public void run(){
                    Something.cSyncA();
                }
            },"t42");
        
        t41.start(); // 啟動t41
        t42.start(); // 啟動t42
    }
    
    public static void main(String[] args){
        LockTest4 demo = new LockTest4();
        demo.test4();
    }
}

運行結果：

t41：isSyncA
t42：cSyncA
t42：cSyncA
t41：isSyncA
t41：isSyncA
t42：cSyncA
t42：cSyncA
t41：isSyncA
t42：cSyncA
t41：isSyncA