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synchronized 关键字-监视器锁monitor lock
线程安全的概念
如果多线程环境下代码运行的结果是符合我们预期的，即在单线程环境应该的结果，则说这个程序是线程安全的。
线程不安全示例
public class Insecurity { // 定义自增操作的对象 private static Counter counter = new Counter(); public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 定义两个线程，分别自增5万次 Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 50000; i++) { counter.increment(); } }); Thread t2 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 50000; i++) { counter.increment(); } }); // 启动线程 t1.start(); t2.start(); // 等待自增完成 t1.join(); t2.join(); // 打印结果 System.out.println("count = " + counter.count); } } class Counter { public int count = 0; // 自增方法 public void increment () { count++; } }
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线程不安全的原因
多个线程修改了同一个变量
上面的线程不安全的代码中, 涉及到多个线程针对 counter.count 变量进行修改。
counter.count 这个变量就是在堆上. 因此可以被多个线程共享访问.
线程是抢占式执行的
多个线程在CPU上调度是随机的，顺序是不可预知的。
原子性
要么都执行，要么都不执行。
- 从内存把数据读到 CPU
- 进行数据更新
- 把数据写回到 CPU
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内存可见性
可见性指, 一个线程对共享变量值的修改，能够及时地被其他线程看到.
Java 内存模型 (JMM): Java虚拟机规范中定义了Java内存模型.
目的是屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果.
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- 线程之间的共享变量存在 主内存 (Main Memory).
- 每一个线程都有自己的 "工作内存" (Working Memory) .
- 当线程要读取一个共享变量的时候, 会先把变量从主内存拷贝到工作内存, 再从工作内存读取数据.
- 当线程要修改一个共享变量的时候, 也会先修改工作内存中的副本, 再同步回主内存.
由于每个线程有自己的工作内存, 这些工作内存中的内容相当于同一个共享变量的 "副本". 此时修改线程1 的工作内存中的值, 线程2 的工作内存不一定会及时变化
有序性
有序性是指编译过程中，JVM调用本地接口，CPU执行指令过程中，指令的有序性。
指令在特殊情况下会打乱顺序，并不是按程序员的预期去执行的。
编译器对于指令重排序的前提是 "保持逻辑不发生变化". 这一点在单线程环境下比较容易判断, 但是在多线程环境下就没那么容易了, 多线程的代码执行复杂程度更高, 编译器很难在编译阶段对代码的执行效果进行预测, 因此激进的重排序很容易导致优化后的逻辑和之前不等价.
线程不安全解决办法
对于多线程修改同一个变量，在真实业务中都是修改同一个变量，无法避免。
对于线程是抢占式执行的，CPU调度是随机的，这里CPU是硬件层面，没办法处理。
剩下就是解决其他三个原因：
public class Main { // 定义自增操作的对象 private static Counter counter = new Counter(); public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 定义两个线程，分别自增5万次 Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 50000; i++) { counter.increment(); } }); Thread t2 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 50000; i++) { counter.increment(); } }); // 启动线程 t1.start(); t2.start(); // 等待自增完成 t1.join(); t2.join(); // 打印结果 System.out.println("count = " + counter.count); } } class Counter { public volatile int count = 0; // 自增方法 public synchronized void increment () { count++; } }
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synchronized 关键字-监视器锁monitor lock
synchronized 的特性
互斥
synchronized 会起到互斥效果, 某个线程执行到某个对象的 synchronized 中时, 其他线程如果也执行到同一个对象 synchronized 就会阻塞等待
- 进入 synchronized 修饰的代码块, 相当于 加锁
- 退出 synchronized 修饰的代码块, 相当于 解锁
synchronized用的锁是存在Java对象头里的。
可以粗略理解成, 每个对象在内存中存储的时候, 都存有一块内存表示当前的 "锁定" 状态(类似于厕所的 "有人/无人").
如果当前是 "无人" 状态, 那么就可以使用, 使用时需要设为 "有人" 状态.
如果当前是 "有人" 状态, 那么其他人无法使用, 只能排队
理解 "阻塞等待".
针对每一把锁, 操作系统内部都维护了一个等待队列. 当这个锁被某个线程占有的时候, 其他线程尝试进行加锁, 就加不上了, 就会阻塞等待, 一直等到之前的线程解锁之后, 由操作系统唤醒一个新的线程, 再来获取到这个锁.
注意:
- 上一个线程解锁之后, 下一个线程并不是立即就能获取到锁. 而是要靠操作系统来 "唤醒". 这也就是操作系统线程调度的一部分工作.
- 假设有 A B C 三个线程, 线程 A 先获取到锁, 然后 B 尝试获取锁, 然后 C 再尝试获取锁, 此时 B和 C 都在阻塞队列中排队等待. 但是当 A 释放锁之后, 虽然 B 比 C 先来的, 但是 B 不一定就能获取到锁, 而是和 C 重新竞争, 并不遵守先来后到的规则.
synchronized的底层是使用操作系统的mutex lock实现的.
刷新内存
synchronized 的工作过程:
- 获得互斥锁
- 从主内存拷贝变量的最新副本到工作的内存
- 执行代码
- 将更改后的共享变量的值刷新到主内存
- 释放互斥锁
所以 synchronized 也能保证内存可见性. 具体代码参见后面 volatile 部分.
可重入
synchronized 同步块对同一条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题；
理解 "把自己锁死"
一个线程没有释放锁, 然后又尝试再次加锁.
代码示例
在下面的代码中,
- increase 和 increase2 两个方法都加了 synchronized, 此处的 synchronized 都是针对 this 当前对象加锁的.
- 在调用 increase2 的时候, 先加了一次锁, 执行到 increase 的时候, 又加了一次锁. (上个锁还没释放, 相当于连续加两次锁)
这个代码是完全没问题的. 因为 synchronized 是可重入锁.
static class Counter { public int count = 0; synchronized void increase() { count++; } synchronized void increase2() { increase(); } }
在可重入锁的内部, 包含了 "线程持有者" 和 "计数器" 两个信息.
- 如果某个线程加锁的时候, 发现锁已经被人占用, 但是恰好占用的正是自己, 那么仍然可以继续获取到锁, 并让计数器自增.
- 解锁的时候计数器递减为 0 的时候, 才真正释放锁. (才能被别的线程获取到)
synchronized 使用示例
synchronized 本质上要修改指定对象的 "对象头". 从使用角度来看, synchronized 也势必要搭配一个具体的对象来使用.
1) 直接修饰普通方法: 锁的 SynchronizedDemo 对象
public class SynchronizedDemo { public synchronized void methond() { } }
2) 修饰静态方法: 锁的 SynchronizedDemo 类的对象
public class SynchronizedDemo { public synchronized static void method() { } }
3) 修饰代码块: 明确指定锁哪个对象
锁当前对象
public class SynchronizedDemo { public void method() { synchronized (this) { } } }
锁类对象
public class SynchronizedDemo { public void method() { synchronized (SynchronizedDemo.class) { } } }
Java 标准库中的线程安全类
Java 标准库中很多都是线程不安全的. 这些类可能会涉及到多线程修改共享数据, 又没有任何措施.
- ArrayList
- LinkedList
- HashMap
- TreeMap
- HashSet
- TreeSet
- StringBuilder
但是还有一些是线程安全的. 使用了一些锁机制来控制.
- Vector (不推荐使用)
- HashTable (不推荐使用)
- ConcurrentHashMap
- StringBuffer
StringBuffer 的核心方法都带有 synchronized
还有的虽然没有加锁, 但是不涉及 "修改", 仍然是线程安全的
- String
volatile 关键字
volatile 能保证内存可见性
volatile 修饰的变量, 能够保证 "内存可见性".
代码在写入 volatile 修饰的变量的时候,
- 改变线程工作内存中volatile变量副本的值
- 将改变后的副本的值从工作内存刷新到主内存
代码在读取 volatile 修饰的变量的时候,
- 从主内存中读取volatile变量的最新值到线程的工作内存中
- 从工作内存中读取volatile变量的副本
前面我们讨论内存可见性时说了, 直接访问工作内存(实际是 CPU 的寄存器或者 CPU 的缓存), 速度非常快, 但是可能出现数据不一致的情况.
加上 volatile , 强制读写内存. 速度是慢了, 但是数据变的更准确了.
代码示例
在这个代码中
- 创建两个线程 t1 和 t2
- t1 中包含一个循环, 这个循环以 flag == 0 为循环条件.
- t2 中从键盘读入一个整数, 并把这个整数赋值给 flag.
- 预期当用户输入非 0 的值的时候, t1 线程结束.
static class Counter { public int flag = 0; } public static void main(String[] args) { Counter counter = new Counter(); Thread t1 = new Thread(() -> { while (counter.flag == 0) { // do nothing } System.out.println("循环结束!"); }); Thread t2 = new Thread(() -> { Scanner scanner = new Scanner(System.in); System.out.println("输入一个整数:"); counter.flag = scanner.nextInt(); }); t1.start(); t2.start(); } // 执行效果 // 当用户输入非0值时, t1 线程循环不会结束. (这显然是一个 bug)
t1 读的是自己工作内存中的内容.
当 t2 对 flag 变量进行修改, 此时 t1 感知不到 flag 的变化.
如果给 flag 加上 volatile
static class Counter { public volatile int flag = 0; } // 执行效果 // 当用户输入非0值时, t1 线程循环能够立即结束.
volatile 不保证原子性
volatile 和 synchronized 有着本质的区别. synchronized 能够保证原子性, volatile 保证的是内存可见性.
代码示例
这个是最初的演示线程安全的代码.
- 给 increase 方法去掉 synchronized
- 给 count 加上 volatile 关键字.
static class Counter { volatile public int count = 0; void increase() { count++; } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { final Counter counter = new Counter(); Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 50000; i++) { counter.increase(); } }); Thread t2 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 50000; i++) { counter.increase(); } }); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println(counter.count); }
此时可以看到, 最终 count 的值仍然无法保证是 100000.
synchronized 也能保证内存可见性
synchronized 既能保证原子性, 也能保证内存可见性.
对上面的代码进行调整:
- 去掉 flag 的 volatile
- 给 t1 的循环内部加上 synchronized, 并借助 counter 对象加锁.
static class Counter { public int flag = 0; } public static void main(String[] args) { Counter counter = new Counter(); Thread t1 = new Thread(() -> { while (true) { synchronized (counter) { if (counter.flag != 0) { break; } } // do nothing } System.out.println("循环结束!"); }); Thread t2 = new Thread(() -> { Scanner scanner = new Scanner(System.in); System.out.println("输入一个整数:"); counter.flag = scanner.nextInt(); }); t1.start(); t2.start(); }
