並發王者課-青銅4：寶刀屠龍-如何使用synchronized之初體驗

在前面的文章《雙刃劍-理解多線程帶來的安全問題》中，我們提到了多線程情況下存在的線程安全問題。本文將以這個問題為背景，介紹如何通過使用synchronized關鍵字解這一問題。當然，在青銅階段，我們仍不會過多地描述其背后的原理，重點還是先體驗並理解它的用法。

一、從場景中體驗synchronized

是誰擊敗了主宰

在峽谷中，擊敗主宰可以獲得高額的經濟收益。因此，在條件允許的情況下，大家都會爭相擊敗主宰。於是，哪吒和敵方的蘭陵王開始爭奪主宰。按規矩，誰是擊敗主宰的最后一擊，誰便是勝利的一方。

假設主宰的初始血量是100，我們通過代碼來模擬下：

public class Master {
    //主宰的初始血量
    private int blood = 100;

    //每次被擊打后血量減5
    public int decreaseBlood() {
        blood = blood - 5;
        return blood;
    }

    //通過血量判斷主宰是否還存活
    public boolean isAlive() {
        return blood > 0;
    }
}

我們定義了哪吒和蘭陵王兩個線程，讓他們同時攻擊主宰：

 public static void main(String[] args) {
        final Master master = new Master();
        Thread neZhaAttachThread = new Thread() {
            public void run() {
                while (master.isAlive()) {
                    try {
                        int remainBlood = master.decreaseBlood();
                        if (remainBlood == 0) {
                            System.out.println("哪吒擊敗了主宰！");
                        }
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };

        Thread lanLingWangThread = new Thread() {
            public void run() {
                while (master.isAlive()) {
                    try {
                        int remainBlood = master.decreaseBlood();
                        if (remainBlood == 0) {
                            System.out.println("蘭陵王擊敗了主宰！");
                        }
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };
        neZhaAttachThread.start();
        lanLingWangThread.start();
    }

下面是運行的結果：

蘭陵王擊敗了主宰！
哪吒擊敗了主宰！

Process finished with exit code 0

兩人竟然都獲得了主宰！很顯然，我們不可能接受這樣的結果。然而，細看代碼，你會發現這個神奇的結果其實一點也不意外，兩個線程在對blood做並發減法時出了錯誤，因為代碼中壓根沒有必要的並發安全控制。

當然，解決辦法也比較簡單，在decreaseBlood方法上添加synchronized關鍵字即可：

public synchronized int decreaseBlood() {
       blood = blood - 5;
       return blood;
}

為什么加上synchronized關鍵字就可以了呢？這就需要往下看了解Java中的鎖和同步了。

二、認識synchronized

1. 理解Java對象中的鎖

在理解synchronized之前，我們先簡單理解下鎖的概念。在Java中，每個對象都會有一把鎖。當多個線程都需要訪問對象時，那么就需要通過獲得鎖來獲得許可，只有獲得鎖的線程才能訪問對象，並且其他線程將進入等待狀態，等待其他線程釋放鎖。如下圖所示：

2. 理解synchronized關鍵字

根據Sun官文文檔的描述，synchronized關鍵字提供了一種預防線程干擾和內存一致性錯誤的簡單策略，即如果一個對象對多個線程可見，那么該對象變量（final修飾的除外）的讀寫都需要通過synchronized來完成。

你可能已經注意到其中的兩個關鍵名詞：

• 線程干擾（Thread Interference）：不同線程中運行但作用於相同數據的兩個操作交錯時，就會發生干擾。這意味着這兩個操作由多個步驟組成，並且步驟順序重疊；
• 內存一致性錯誤（Memory Consistency Errors）：當不同的線程對應為相同數據的視圖不一致時，將發生內存一致性錯誤。內存一致性錯誤的原因很復雜，幸運的是，我們不需要詳細了解這些原因，所需要的只是避免它們的策略。

從競態的角度講，線程干擾對應的是Read-modify-write，而內存一致性錯誤對應的則是Check-then-act。

結合鎖和synchronized的概念可以理解為，鎖是多線程安全的基礎機制，而synchronized是鎖機制的一種實現。

三、synchronized的四種用法

1. 在實例方法中使用synchronized

public synchronized int decreaseBlood() {
       blood = blood - 5;
       return blood;
}

注意這段代碼中的synchronized字段，它表示當前方法每次能且僅能有一個線程訪問。另外，由於當前方法是實例方法，所以如果該對象存在多個實例的話，不同的實例可以由不同的線程訪問，它們之間並無協作關系。

然而，你可能已經想到了，如果當前線程中有兩個synchronized方法，不同的線程是否可以訪問不同的synchronized方法呢？

答案是：不能。

這是因為每個實例內的同步方法，能且僅能有一個線程訪問。

2. 在靜態方法中使用synchronized

public static synchronized int decreaseBlood() {
       blood = blood - 5;
       return blood;
}

與實例方法的synchronized不同，靜態方法的synchronized是基於當前方法所屬的類，即Master.class，而每個類在虛擬機上有且只有一個類對象。所以，對於同一類而言，每次有且只能有一個線程能訪問靜態synchronized方法。

當類中包含有多個靜態的synchronized方法時，每次也仍然有且只能有一個線程可以訪問其中的方法。

注意： 從synchronized在實例方法和靜態方法中的應用可以看出，synchronized方法是否能允許其他線程的進入，取決於synchronized的參數。每個不同的參數，在同一時刻都只允許一個線程訪問。基於這樣的認知，下面的兩種用法就很容易理解了。

3. 在實例方法的代碼塊中使用synchronized

public int decreaseBlood() {
    synchronized(this) {
       blood = blood - 5;
       return blood;
    }
}

在某些情況下，你不需要在整個方法層面使用synchronized，畢竟這樣的方式粒度較大，容易產生阻塞。此時，在代碼塊中使用synchronized就是非常不錯的選擇，如上面代碼所示。

剛才已經提到，synchronized的並發限制取決於其參數，在上面這段代碼中的參數是this，即當前類的實例對象。而在前面的public synchronized int decreaseBlood()中，synchronized的參數也是當前類的實例對象。因此，下面這兩段代碼是等同的：

public int decreaseBlood() {
    synchronized(this) {
       blood = blood - 5;
       return blood;
    }
}

public synchronized int decreaseBlood() {
       blood = blood - 5;
       return blood;
}

4. 在靜態方法的代碼塊中使用synchronized

同理，下面這兩個方法的效果也是等同的。

public static int decreaseBlood() {
    synchronized(Master.class) {
       blood = blood - 5;
       return blood;
    }
}

public static synchronized int decreaseBlood() {
       blood = blood - 5;
       return blood;
}

四、synchronized小結

前面，我們已經介紹了synchronized的幾種常見用法，不必死記硬背，你只要記住synchronized可以接受任何非null對象作為參數，而每個參數在同一時刻能且只能允許一個線程訪問即可。此外，還有一些具有實際指導意義的Tips你可以注意下：

1. Java中的synchronized關鍵字用於解決多線程訪問共享資源時的同步，以解決線程干擾和內存一致性問題；
2. 你可以通過 代碼塊（code block） 或者 方法（method） 來使用synchronized關鍵字；
3. synchronized的原理基於對象中的鎖，當線程需要進入synchronized修飾的方法或代碼塊時，它需要先獲得鎖並在執行結束后釋放它；
4. 當線程進入非靜態（non-static）同步方法時，它獲得的是對象實例（Object level）的鎖。而線程進入靜態同步方法時，它所獲得的是類實例（Class level）的鎖，兩者沒有必然關系；
5. 如果synchronized中使用的對象是null，將會拋出NullPointerException錯誤；
6. synchronized對方法的性能有一定影響，因為線程要等待獲取鎖；
7. 使用synchronized時盡量使用代碼塊，而不是整個方法，以免阻塞整個方法；
8. 盡量不要使用String類型和原始類型作為參數。這是因為，JVM在處理字符串、原始類型時會對它們進行優化。比如，你原本是想對不同的字符串進行加鎖，然而JVM認為它們是同一個，很顯然這不是你想要的結果。

關於synchronized的可見性、指令排序等底層原理，我們會在后面的階段中詳細介紹。

以上就是文本的全部內容，恭喜你又上了一顆星！✨

夫子的試煉

• 手寫代碼體驗synchronized的不同用法。

參考資料

• https://docs.oracle.com/javase/tutorial/essential/concurrency/syncmeth.html
• https://javagoal.com/synchronization-in-java/

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