【Java -- 基础】关键字 synchronized

前言

在 Java 中，有一个常被忽略但非常重要的关键字 ​​synchronized​​ 。

一、关键字 synchronized

1. 作用

保证同一时刻最多只有 1 个线程执行 被 ​​synchronized​​ 修饰的方法 / 代码

2. 应用场景

保证线程安全，解决多线程中的并发同步问题（实现的是阻塞型并发），具体场景如下：

• 修饰 实例方法 / 代码块时，（同步）保护的是同一个对象方法的调用 & 当前实例对象
• 修饰 静态方法 / 代码块时，（同步）保护的是 静态方法的调用 & class 类对象

3. 原理

• 依赖 JVM 实现同步
• 底层通过一个监视器对象（monitor）完成， wait（）、notify（） 等方法也依赖于 monitor 对象

监视器锁（monitor）的本质 依赖于 底层操作系统的互斥锁（Mutex Lock）实现

4. 使用

​​synchronized​​ 用于 修饰 代码块、类的实例方法 & 静态方法

4.1 锁的类型 & 等级
由于​​​synchronized​​​ 会修饰 代码块、类的实例方法 & 静态方法，故分为不同锁的类型。

4.2 使用规则

4.3 使用方式

/**
* 对象锁
*/
public class Test{
// 对象锁：形式1(方法锁)
public synchronized void Method1(){
System.out.println("我是对象锁也是方法锁");
try{
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}

}

// 对象锁：形式2（代码块形式）
public void Method2(){
synchronized (this){
System.out.println("我是对象锁");
try{
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
}

}
｝

/**
* 方法锁（即对象锁中的形式1）
*/
public synchronized void Method1(){
System.out.println("我是对象锁也是方法锁");
try{
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}

}

/**
* 类锁
*/
public class Test{
　　 // 类锁：形式1 ：锁静态方法
public static synchronized void Method1(){
System.out.println("我是类锁一号");
try{
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}

}

// 类锁：形式2 ：锁静态代码块
public void Method2(){
synchronized (Test.class){
System.out.println("我是类锁二号");
try{
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}

}

}
｝

特别注意:
​​​synchronized​​ 修饰方法时存在缺陷：若修饰 1 个大的方法，将会大大影响效率

• 示例
  若使用 ​​synchronized​​ 关键字修饰 线程类的 ​​run()​​，由于​​run()​​在线程的整个生命期内一直在运行，因此将导致它对本类任何​​synchronized​​方法的调用都永远不会成功
• 解决方案
  使用 ​​synchronized​​ 关键字声明代码块

该解决方案灵活性高：可针对任意代码块 & 任意指定上锁的对象

代码如下
synchronized(syncObject) {
// 访问或修改被锁保护的共享状态
// 上述方法 必须 获得对象 syncObject（类实例或类）的锁
}

二、CAS

• 定义
  ​​​Compare And Swap​​，即 比较并交换，是一种解决并发操作的乐观锁

synchronized 锁住的代码块：同一时刻只能由一个线程访问，属于悲观锁

• 原理

// CAS的操作参数
内存位置（A）
预期原值（B）
预期新值（C）

// 使用CAS解决并发的原理：
// 1. 首先比较A、B，若相等，则更新A中的值为C、返回True；若不相等，则返回false；
// 2. 通过死循环，以不断尝试尝试更新的方式实现并发

// 伪代码如下
public boolean compareAndSwap(long memoryA, int oldB, int newC){
if(memoryA.get() == oldB){
memoryA.set(newC);
return true;
}
return false;
}

• 优点
  资源耗费少：相对于​​​synchronized​​，省去了挂起线程、恢复线程的开销

但，若迟迟得不到更新，死循环对CPU资源也是一种浪费

• 具体实现方式

• 使用​​CAS​​ 有个“先检查后执行”的操作
• 而这种操作在 Java 中是典型的不安全的操作，所以​​CAS​​​ 在实际中是由​​C++​​​ 通过调用​​CPU​​ 指令实现的
• 具体过程

CAS在Java中的体现为Unsafe类

Unsafe类会通过C++直接获取到属性的内存地址

接下来CAS由C++的Atomic::cmpxchg系列方法实现

• 典型应用：AtomicInteger
  对 i++ 与 i–，通过​​​compareAndSet​​ & 一个死循环实现

private volatile int value;
/**
* Gets the current value.
*
* @return the current value
*/
public final int get() {
return value;
}
/**
* Atomically increments by one the current value.
*
* @return the previous value
*/
public final int getAndIncrement() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
}

/**
* Atomically decrements by one the current value.
*
* @return the previous value
*/
public final int getAndDecrement() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current - 1;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
}