之前线程基本概念介绍的文章,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,今天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。

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。

1.1 实例方法

之前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,代码如下所示。

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。使用的代码如下所示。

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Counterincr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,t1t2两个线程是可以同时执行Counterincr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thisthis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getCountincr,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:

public void decr(){
    count --;
}

则该方法可以和synchronizedincr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

1.2 静态方法

synchronized同样可以用于静态方法,如下所示。

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。

1.3 代码块

除了用于修饰方法外,synchronized还可以用于包装代码块,比如上面的代码的Counter类,等价的代码如下所示。

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,等价的代码如下所示。

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下所示。

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

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synchronized

  • 可重入性。

  • 内存可见性。

  • 死锁。

2.1 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synchronized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,后面的文章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。

2.2 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。

2.3 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,如下所示。

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。

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:

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)

Image00101

它们是给所有容器方法都加上synchronized来实现安全的,比如SynchronizedCollection,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。

3.1 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putIfAbsent方法期望保持的语义。

3.2 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EnhancedMap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);
    }
}

3.3 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,如下所示。

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:

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();
}

3.4 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?我们后面会介绍。

至此,关于synchronized就介绍完了。本文详细介绍了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。