15.2 理解synchronized

发表于 2021-12-06 更新于 2021-12-08 分类于 9 Java编程的逻辑， 5第五部分并发，第15章并发基础知识 Waline：本文字数： 11k 阅读时长 ≈ 10 分钟

15.2 理解synchronized

上一节，我们提到，共享内存有两个重要问题，一个是竞态条件，另一个是内存可见性，解决这两个问题的一个方案是使用synchronized关键字，本节就来讨论这个关键字。我们先来了解synchronized的用法和基本原理，然后再从多个角度进一步理解，最后介绍使用synchronized实现的同步容器及其注意事项。

15.2.1 用法和基本原理

synchronized可以用于修饰类的实例方法、静态方法和代码块，我们分别介绍。

1．实例方法

上节我们介绍了一个计数的例子，当多个线程并发执行counter++的时候，由于该语句不是原子操作，出现了意料之外的结果，这个问题可以用synchronized解决，如代码清单15-4所示。

代码清单15-4 用synchronized修饰的Counter类

public class Counter {
    private int count;
    public synchronized void incr(){
        count ++;
    }
    public synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}

Counter是一个简单的计数器类，incr方法和getCount方法都加了synchronized修饰。加了synchronized后，方法内的代码就变成了原子操作，当多个线程并发更新同一个Counter对象的时候，也不会出现问题。使用的代码如代码清单15-5所示。

代码清单15-5 多线程访问synchronized保护的Counter对象

public class Counter {
    private int count;
    public synchronized void incr(){
        count ++;
    }
    public synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}
public class CounterThread extends Thread {
    Counter counter;
    public CounterThread(Counter counter) {
        this.counter = counter;
    }
    @Override
    public void run() {
        for(int i = 0; i < 1000; i++) {
            counter.incr();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int num = 1000;
        Counter counter = new Counter();
        Thread[] threads = new Thread[num];
        for(int i = 0; i < num; i++) {
            threads[i] = new CounterThread(counter);
            threads[i].start();
        }
        for (int i = 0; i < num; i++) {
            threads[i].join();
        }
        System.out.println(counter.getCount());
    }
}

与上节类似，我们创建了1000个线程，传递了相同的counter对象，每个线程主要就是调用Counter的incr方法1000次，main线程等待子线程结束后输出counter的值，这次，不论运行多少次，结果都是正确的100万。

这里，synchronized到底做了什么呢？看上去，synchronized使得同时只能有一个线程执行实例方法，但这个理解是不确切的。多个线程是可以同时执行同一个synchronized实例方法的，只要它们访问的对象是不同的即可，比如：

Counter counter1 = new Counter();
Counter counter2 = new Counter();
Thread t1 = new CounterThread(counter1);
Thread t2 = new CounterThread(counter2);
t1.start();
t2.start();

这里，t1和t2两个线程是可以同时执行Counter的incr方法的，因为它们访问的是不同的Counter对象，一个是counter1，另一个是counter2。

所以，synchronized实例方法实际保护的是同一个对象的方法调用，确保同时只能有一个线程执行。再具体来说，synchronized实例方法保护的是当前实例对象，即this, this对象有一个锁和一个等待队列，锁只能被一个线程持有，其他试图获得同样锁的线程需要等待。执行synchronized实例方法的过程大致如下：
1）尝试获得锁，如果能够获得锁，继续下一步，否则加入等待队列，阻塞并等待唤醒。
2）执行实例方法体代码。
3）释放锁，如果等待队列上有等待的线程，从中取一个并唤醒，如果有多个等待的线程，唤醒哪一个是不一定的，不保证公平性。

synchronized的实际执行过程比这要复杂得多，而且Java虚拟机采用了多种优化方式以提高性能，但从概念上，我们可以这么简单理解。

当前线程不能获得锁的时候，它会加入等待队列等待，线程的状态会变为BLOCKED。

我们再强调下，synchronized保护的是对象而非代码，只要访问的是同一个对象的synchronized方法，即使是不同的代码，也会被同步顺序访问。比如，对于Counter中的两个实例方法getCount和incr，对同一个Counter对象，一个线程执行getCount，另一个执行incr，它们是不能同时执行的，会被synchronized同步顺序执行。

此外，需要说明的是，synchronized方法不能防止非synchronized方法被同时执行。比如，如果给Counter类增加一个非synchronized方法：

1
2
3

public void decr(){
    count --;
}

则该方法可以和synchronized的incr方法同时执行，这通常会出现非期望的结果，所以，一般在保护变量时，需要在所有访问该变量的方法上加上synchronized。

2．静态方法

synchronized同样可以用于静态方法，如代码清单15-6所示。

代码清单15-6 synchronized修饰静态方法

public class StaticCounter {
    private static int count = 0;
    public static synchronized void incr() {
        count++;
    }
    public static synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}

前面我们说，synchronized保护的是对象，对实例方法，保护的是当前实例对象this，对静态方法，保护的是哪个对象呢？是类对象，这里是StaticCounter.class。实际上，每个对象都有一个锁和一个等待队列，类对象也不例外。

synchronized静态方法和synchronized实例方法保护的是不同的对象，不同的两个线程，可以一个执行synchronized静态方法，另一个执行synchronized实例方法。

3．代码块

除了用于修饰方法外，synchronized还可以用于包装代码块，比如对于代码清单15-4的 Counter类，等价的代码如代码清单15-7所示。

代码清单15-7 synchronized代码块修饰的Counter类

public class Counter {
    private int count;
    public void incr(){
        synchronized(this){
            count ++;
        }
    }
    public int getCount() {
        synchronized(this){
            return count;
        }
    }
}

synchronized括号里面的就是保护的对象，对于实例方法，就是this, {}里面是同步执行的代码。对于前面的StaticCounter类，等价的代码如代码清单15-8所示。

代码清单15-8 synchronized代码块修饰的StaticCounter类

public class StaticCounter {
    private static int count = 0;
    public static void incr() {
        synchronized(StaticCounter.class){
            count++;
        }
    }
    public static int getCount() {
        synchronized(StaticCounter.class){
            return count;
        }
    }
}

synchronized同步的对象可以是任意对象，任意对象都有一个锁和等待队列，或者说，任何对象都可以作为锁对象。比如，Counter类的等价代码还可以如代码清单15-9所示。

代码清单15-9 使用单独对象作为锁的Counter类

public class Counter {
    private int count;
    private Object lock = new Object();
    public void incr(){
        synchronized(lock){
            count ++;
        }
    }
    public int getCount() {
        synchronized(lock){
            return count;
        }
    }
}

15.2.2 进一步理解synchronized

介绍了synchronized的基本用法和原理之后，我们再从下面几个角度来进一步介绍syn-chronized：

可重入性。
内存可见性。
死锁。

1．可重入性

synchronized有一个重要的特征，它是可重入的，也就是说，对同一个执行线程，它在获得了锁之后，在调用其他需要同样锁的代码时，可以直接调用。比如，在一个syn-chronized实例方法内，可以直接调用其他synchronized实例方法。可重入是一个非常自然的属性，应该是很容易理解的，之所以强调，是因为并不是所有锁都是可重入的，后续章节我们会看到不可重入的锁。

可重入是通过记录锁的持有线程和持有数量来实现的，当调用被synchronized保护的代码时，检查对象是否已被锁，如果是，再检查是否被当前线程锁定，如果是，增加持有数量，如果不是被当前线程锁定，才加入等待队列，当释放锁时，减少持有数量，当数量变为0时才释放整个锁。

2．内存可见性

对于复杂一些的操作，synchronized可以实现原子操作，避免出现竞态条件，但对于明显的本来就是原子的操作方法，也需要加synchronized吗？比如，下面的开关类Switcher只有一个boolean变量on和对应的setter/getter方法：

public class Switcher {
    private boolean on;
    public boolean isOn() {
        return on;
    }
    public void setOn(boolean on) {
        this.on = on;
    }
}

当多线程同时访问同一个Switcher对象时，会有问题吗？没有竞态条件问题，但正如上节所说，有内存可见性问题，而加上synchronized可以解决这个问题。

synchronized除了保证原子操作外，它还有一个重要的作用，就是保证内存可见性，在释放锁时，所有写入都会写回内存，而获得锁后，都会从内存中读最新数据。

不过，如果只是为了保证内存可见性，使用synchronized的成本有点高，有一个更轻量级的方式，那就是给变量加修饰符volatile，如下所示：

public class Switcher {
    private volatile boolean on;
    public boolean isOn() {
        return on;
    }
    public void setOn(boolean on) {
        this.on = on;
    }
}

加了volatile之后，Java会在操作对应变量时插入特殊的指令，保证读写到内存最新值，而非缓存的值。

3．死锁

使用synchronized或者其他锁，要注意死锁。所谓死锁就是类似这种现象，比如，有a、b两个线程，a持有锁A，在等待锁B，而b持有锁B，在等待锁A, a和b陷入了互相等待，最后谁都执行不下去，如代码清单15-10所示。

代码清单15-10 死锁示例

public class DeadLockDemo {
    private static Object lockA = new Object();
    private static Object lockB = new Object();
    private static void startThreadA() {
        Thread aThread = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (lockA) {
                    try {
                    Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                    }
                    synchronized (lockB) {
                    }
                }
            }
        };
        aThread.start();
    }
    private static void startThreadB() {
        Thread bThread = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (lockB) {
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                    synchronized (lockA) {
                    }
                }
            }
        };
        bThread.start();
    }
    public static void main(String[] args) {
        startThreadA();
        startThreadB();
    }
}

运行后aThread和bThread陷入了相互等待。怎么解决呢？首先，应该尽量避免在持有一个锁的同时去申请另一个锁，如果确实需要多个锁，所有代码都应该按照相同的顺序去申请锁。比如，对于上面的例子，可以约定都先申请lockA，再申请lockB。

不过，在复杂的项目代码中，这种约定可能难以做到。还有一种方法是使用后续章节介绍的显式锁接口Lock，它支持尝试获取锁（tryLock）和带时间限制的获取锁方法，使用这些方法可以在获取不到锁的时候释放已经持有的锁，然后再次尝试获取锁或干脆放弃，以避免死锁。

如果还是出现了死锁，怎么办呢？Java不会主动处理，不过，借助一些工具，我们可以发现运行中的死锁，比如，Java自带的jstack命令会报告发现的死锁。对于上面的程序，在笔者的计算机中，jstack会生成图15-1所示的报告。

epub_923038_127

图15-1 jstack的死锁检测

15.2.3 同步容器及其注意事项

我们知道，类Collection中有一些方法，可以返回线程安全的同步容器，比如：

1
2
3

public static <T> Collection<T> synchronizedCollection(Collection<T> c)
public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list)
public static <K, V> Map<K, V> synchronizedMap(Map<K, V> m)

它们是给所有容器方法都加上synchronized来实现安全的，比如Synchronized-Collection，其部分代码如下所示：

static class SynchronizedCollection<E> implements Collection<E> {
    final Collection<E> c;   //Backing Collection
    final Object mutex;      //Object on which to synchronize
    SynchronizedCollection(Collection<E> c) {
        if(c==null)
            throw new NullPointerException();
        this.c = c;
        mutex = this;
    }
    public int size() {
        synchronized (mutex) {return c.size(); }
    }
    public boolean add(E e) {
        synchronized (mutex) {return c.add(e); }
    }
    public boolean remove(Object o) {
        synchronized (mutex) {return c.remove(o); }
    }
    //…
}

这里线程安全针对的是容器对象，指的是当多个线程并发访问同一个容器对象时，不需要额外的同步操作，也不会出现错误的结果。

加了synchronized，所有方法调用变成了原子操作，客户端在调用时，是不是就绝对安全了呢？不是的，至少有以下情况需要注意：

复合操作，比如先检查再更新。
伪同步。
迭代。

我们分别介绍。

1．复合操作

先来看复合操作，我们看段代码：

public class EnhancedMap <K, V> {
    Map<K, V> map;
    public EnhancedMap(Map<K, V> map){
        this.map = Collections.synchronizedMap(map);
    }
    public V putIfAbsent(K key, V value){
          V old = map.get(key);
          if(old! =null){
              return old;
          }
          return map.put(key, value);
      }
    public V put(K key, V value){
        return map.put(key, value);
    }
    //…
}

EnhancedMap是一个装饰类，接受一个Map对象，调用synchronizedMap转换为了同步容器对象map，增加了一个方法putIfAbsent，该方法只有在原Map中没有对应键的时候才添加（在Java 8之后，Map接口增加了putIfAbsent默认方法，这是针对Java 8之前的Map接口演示概念）。

map的每个方法都是安全的，但这个复合方法putIfAbsent是安全的吗？显然是否定的，这是一个检查然后再更新的复合操作，在多线程的情况下，可能有多个线程都执行完了检查这一步，都发现Map中没有对应的键，然后就会都调用put，这就破坏了putIf-Absent方法期望保持的语义。

2．伪同步

那给该方法加上synchronized就能实现安全吗？如下所示：

public synchronized V putIfAbsent(K key, V value){
    V old = map.get(key);
    if(old! =null){
        return old;
    }
    return map.put(key, value);
}

答案是否定的！为什么呢？同步错对象了。putIfAbsent同步使用的是EnhancedMap对象，而其他方法（如代码中的put方法）使用的是Collections.synchronizedMap返回的对象map，两者是不同的对象。要解决这个问题，所有方法必须使用相同的锁，可以使用EnhancedMap的对象锁，也可以使用map。使用EnhancedMap对象作为锁，则Enhanced-Map中的所有方法都需要加上synchronized。使用map作为锁，putIfAbsent方法可以改为：

public V putIfAbsent(K key, V value){
    synchronized(map){
        V old = map.get(key);
        if(old! =null){
            return old;
        }
        return map.put(key, value);
    }
}

3．迭代

对于同步容器对象，虽然单个操作是安全的，但迭代并不是。我们看个例子，创建一个同步List对象，一个线程修改List，另一个遍历，看看会发生什么，如代码清单15-11所示。

代码清单15-11 同步容器迭代问题

private static void startModifyThread(final List<String> list) {
    Thread modifyThread = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            for(int i = 0; i < 100; i++) {
                list.add("item " + i);
                try {
                    Thread.sleep((int) (Math.random() ＊ 10));
                } catch (InterruptedException e) {
                }
            }
        }
    });
    modifyThread.start();
}
private static void startIteratorThread(final List<String> list) {
    Thread iteratorThread = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                for(String str : list) {
                }
            }
        }
    });
    iteratorThread.start();
}
public static void main(String[] args) {
    final List<String> list = Collections
            .synchronizedList(new ArrayList<String>());
    startIteratorThread(list);
    startModifyThread(list);
}

运行该程序，程序抛出并发修改异常：

1
2
3

Exception in thread "Thread-0" java.util.ConcurrentModificationException
    at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:859)
    at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:831)

我们之前介绍过这个异常，如果在遍历的同时容器发生了结构性变化，就会抛出该异常。同步容器并没有解决这个问题，如果要避免这个异常，需要在遍历的时候给整个容器对象加锁。比如，上面的代码startIteratorThread可以改为：

private static void startIteratorThread(final List<String> list) {
    Thread iteratorThread = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            while(true) {
                synchronized(list){
                    for(String str : list) {
                    }
                }
            }
        }
    });
    iteratorThread.start();
}

4．并发容器

除了以上这些注意事项，同步容器的性能也是比较低的，当并发访问量比较大的时候性能比较差。所幸的是，Java中还有很多专为并发设计的容器类，比如：

CopyOnWriteArrayList。
ConcurrentHashMap。
ConcurrentLinkedQueue。
ConcurrentSkipListSet。

这些容器类都是线程安全的，但都没有使用synchronized，没有迭代问题，直接支持一些复合操作，性能也高得多，它们能解决什么问题？怎么使用？实现原理是什么？我们后续章节介绍。

至此，关于synchronized就介绍完了。本节详细介绍了synchronized的用法和实现原理，为进一步理解synchronized，介绍了可重入性、内存可见性、死锁等，最后，介绍了同步容器及其注意事项，如复合操作、伪同步、迭代异常、并发容器等。