引言

上一篇文章中我們說過，volatile通過lock指令保證了可見性、有序性以及“部分”原子性。但在大部分并發(fā)問題中，都需要保證操作的原子性，volatile并不具有該功能，這時(shí)就需要通過其他手段來達(dá)到線程安全的目的，在Java編程中，我們可以通過鎖、synchronized關(guān)鍵字，以及CAS操作來達(dá)到線程安全的目的。

synchronized

在Java的并發(fā)編程中，保證線程同步最為程序員所熟悉的就是synchronized關(guān)鍵字，synchronized關(guān)鍵字最為方便的地方是他不需要顯示的管理鎖的釋放，極大減少了編程出錯(cuò)的概率。

在Java1.5及以前的版本中，synchronized并不是同步最好的選擇，由于并發(fā)時(shí)頻繁的阻塞和喚醒線程，會(huì)浪費(fèi)許多資源在線程狀態(tài)的切換上，導(dǎo)致了synchronized的并發(fā)效率在某些情況下不如ReentrantLock。在Java1.6的版本中，對(duì)synchronized進(jìn)行了許多優(yōu)化，極大的提高了synchronized的性能。只要synchronized能滿足使用環(huán)境，建議使用synchronized而不使用ReentrantLock。

synchronized的三種使用方式

1.修飾實(shí)例方法，為當(dāng)前實(shí)例加鎖，進(jìn)入同步方法前要獲得當(dāng)前實(shí)例的鎖。

2.修飾靜態(tài)方法，為當(dāng)前類對(duì)象加鎖，進(jìn)入同步方法前要獲得當(dāng)前類對(duì)象的鎖。

3.修飾代碼塊，指定加鎖對(duì)象，對(duì)給定對(duì)象加鎖，進(jìn)入同步代碼塊前要獲得給定對(duì)象的鎖。

這三種使用方式大家應(yīng)該都很熟悉，有一個(gè)要注意的地方是對(duì)靜態(tài)方法的修飾可以和實(shí)例方法的修飾同時(shí)使用，不會(huì)阻塞，因?yàn)橐粋€(gè)是修飾的Class類，一個(gè)是修飾的實(shí)例對(duì)象。下面的例子可以說明這一點(diǎn)：

public class SynchronizedTest {
	public static synchronized void StaticSyncTest() {
		for (int i = 0; i < 3; i++) {
			System.out.println("StaticSyncTest");
			try {
				TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
			} catch (InterruptedException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
	public synchronized void NonStaticSyncTest() {
		for (int i = 0; i < 3; i++) {
			System.out.println("NonStaticSyncTest");
			try {
				TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
			} catch (InterruptedException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {SynchronizedTest synchronizedTest = new SynchronizedTest();new Thread(new Runnable() {
		@Override
		public void run() {
			SynchronizedTest.StaticSyncTest();
		}
	}).start();new Thread(new Runnable() {
		@Override
		public void run() {
			synchronizedTest.NonStaticSyncTest();
		}
	}).start();
}
//StaticSyncTest
//NonStaticSyncTest
//StaticSyncTest
//NonStaticSyncTest
//StaticSyncTest
//NonStaticSyncTest 

代碼中我們開啟了兩個(gè)線程分別鎖定靜態(tài)方法和實(shí)例方法，從打印的輸出結(jié)果中我們可以看到，這兩個(gè)線程鎖定的是不同對(duì)象，可以并發(fā)執(zhí)行。

synchronized的底層原理

我們看一段synchronized關(guān)鍵字經(jīng)過編譯后的字節(jié)碼:

if (null == instance) { 
	synchronized (DoubleCheck.class) {
		if (null == instance) { 
			instance = new DoubleCheck(); 
		}
	}
} 

可以看到synchronized關(guān)鍵字在同步代碼塊前后加入了monitorenter和monitorexit這兩個(gè)指令。monitorenter指令會(huì)獲取鎖對(duì)象，如果獲取到了鎖對(duì)象，就將鎖計(jì)數(shù)器加1，未獲取到則會(huì)阻塞當(dāng)前線程。monitorexit指令會(huì)釋放鎖對(duì)象，同時(shí)將鎖計(jì)數(shù)器減1。

JDK1.6對(duì)synchronized的優(yōu)化

JDK1.6對(duì)對(duì)synchronized的優(yōu)化主要體現(xiàn)在引入了“偏向鎖”和“輕量級(jí)鎖”的概念，同時(shí)synchronized的鎖只可升級(jí)，不可降級(jí)：

這里我不打算詳細(xì)講解每種鎖的實(shí)現(xiàn)，想了解的可以參照《深入理解Java虛擬機(jī)》，只簡(jiǎn)單說下自己的理解。

偏向鎖的思想是指如果一個(gè)線程獲得了鎖，那么就從無鎖模式進(jìn)入偏向模式，這一步是通過CAS操作來做的，進(jìn)入偏向模式的線程每一次訪問這個(gè)鎖的同步代碼塊時(shí)都不需要再進(jìn)行同步操作，除非有其他線程訪問這個(gè)鎖。

偏向鎖提高的是那些帶同步但無競(jìng)爭(zhēng)的代碼的性能，也就是說如果你的同步代碼塊很長(zhǎng)時(shí)間都是同一個(gè)線程訪問，偏向鎖就會(huì)提高效率，因?yàn)樗麥p少了重復(fù)獲取鎖和釋放鎖產(chǎn)生的性能消耗。如果你的同步代碼塊會(huì)頻繁的在多個(gè)線程之間訪問，可以使用參數(shù)-XX：-UseBiasedLocking來禁止偏向鎖產(chǎn)生，避免在多個(gè)鎖狀態(tài)之間切換。

偏向鎖優(yōu)化了只有一個(gè)線程進(jìn)入同步代碼塊的情況，當(dāng)多個(gè)線程訪問鎖時(shí)偏向鎖就升級(jí)為了輕量級(jí)鎖。

輕量級(jí)鎖的思想是當(dāng)多個(gè)線程進(jìn)入同步代碼塊后，多個(gè)線程未發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí)一直保持輕量級(jí)鎖，通過CAS來獲取鎖。如果發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)，首先會(huì)采用CAS自旋操作來獲取鎖，自旋在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，有固定的自旋次數(shù)，一旦自旋獲取失敗，則升級(jí)為重量級(jí)鎖。

輕量級(jí)鎖優(yōu)化了多個(gè)線程進(jìn)入同步代碼塊的情況，多個(gè)線程未發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，可以通過CAS獲取鎖，減少鎖狀態(tài)切換。當(dāng)多個(gè)線程發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，不是直接阻塞線程，而是通過CAS自旋來嘗試獲取鎖，減少了阻塞線程的概率，這樣就提高了synchronized鎖的性能。

synchronized的等待喚醒機(jī)制

synchronized的等待喚醒是通過notify/notifyAll和wait三個(gè)方法來實(shí)現(xiàn)的，這三個(gè)方法的執(zhí)行都必須在同步代碼塊或同步方法中進(jìn)行，否則將會(huì)報(bào)錯(cuò)。

wait方法的作用是使當(dāng)前執(zhí)行代碼的線程進(jìn)行等待，notify/notifyAll相同，都是通知等待的代碼繼續(xù)執(zhí)行，notify只通知任一個(gè)正在等待的線程，notifyAll通知所有正在等待的線程。wait方法跟sleep不一樣，他會(huì)釋放當(dāng)前同步代碼塊的鎖，notify在通知任一等待的線程時(shí)不會(huì)釋放鎖，只有在當(dāng)前同步代碼塊執(zhí)行完成之后才會(huì)釋放鎖。下面的代碼可以說明這一點(diǎn):

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {waitThread();notifyThread();
}
private static Object lockObject = new Object();
private static void waitThread() {Thread watiThread = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {synchronized (lockObject) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "wait-before");try {TimeUnit.SECONDS.sleep(2);lockObject.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "after-wait");}}},"waitthread");watiThread.start();
}
private static void notifyThread() {Thread watiThread = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {synchronized (lockObject) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "notify-before");lockObject.notify();try {TimeUnit.SECONDS.sleep(2);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "after-notify");}}},"notifythread");watiThread.start();
}
//waitthreadwait-before
//notifythreadnotify-before
//notifythreadafter-notify
//waitthreadafter-wait 

代碼中notify線程通知之后wait線程并沒有馬上啟動(dòng)，還需要notity線程執(zhí)行完同步代碼塊釋放鎖之后wait線程才開始執(zhí)行。

CAS

在synchronized的優(yōu)化過程中我們看到大量使用了CAS操作，CAS全稱Compare And Set（或Compare And Swap）,CAS包含三個(gè)操作數(shù)：內(nèi)存位置(V)、原值(A)、新值(B)。簡(jiǎn)單來說CAS操作就是一個(gè)虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的原子操作，這個(gè)原子操作的功能就是將舊值(A)替換為新值(B)，如果舊值(A)未被改變，則替換成功，如果舊值(A)已經(jīng)被改變則替換失敗。

可以通過AtomicInteger類的自增代碼來說明這個(gè)問題，當(dāng)不使用同步時(shí)下面這段代碼很多時(shí)候不能得到預(yù)期值10000，因?yàn)閚oncasi[0]++不是原子操作。

private static void IntegerTest() throws InterruptedException {final Integer[] noncasi = new Integer[]{ 0 };for (int i = 0; i < 10; i++) {Thread thread = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {for (int j = 0; j < 1000; j++) {noncasi[0]++;}}});thread.start();}while (Thread.activeCount() > 2) {Thread.sleep(10);}System.out.println(noncasi[0]);
}
//7889 

當(dāng)使用AtomicInteger的getAndIncrement方法來實(shí)現(xiàn)自增之后相當(dāng)于將casi.getAndIncrement()操作變成了原子操作：

private static void AtomicIntegerTest() throws InterruptedException {AtomicInteger casi = new AtomicInteger();casi.set(0);for (int i = 0; i < 10; i++) {Thread thread = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {for (int j = 0; j < 1000; j++) {casi.getAndIncrement();}}});thread.start();}while (Thread.activeCount() > 2) {Thread.sleep(10);}System.out.println(casi.get());
}
//10000 

當(dāng)然也可以通過synchronized關(guān)鍵字來達(dá)到目的，但CAS操作不需要加鎖解鎖以及切換線程狀態(tài)，效率更高。

再來看看casi.getAndIncrement()具體做了什么，在JDK1.8之前getAndIncrement是這樣實(shí)現(xiàn)的（類似incrementAndGet）:

private volatile int value;
public final int incrementAndGet() {for (;;) {int current = get();int next = current + 1;if (compareAndSet(current, next))return next;}
} 

通過compareAndSet將變量自增，如果自增成功則完成操作，如果自增不成功，則自旋進(jìn)行下一次自增，由于value變量是volatile修飾的，通過volatile的可見性，每次get()都能獲取到最新值，這樣就保證了自增操作每次自旋一定次數(shù)之后一定會(huì)成功。

JDK1.8中則直接將getAndAddInt方法直接封裝成了原子性的操作，更加方便使用。

public final int getAndIncrement() {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
} 

CAS操作是實(shí)現(xiàn)Java并發(fā)包的基石，他理解起來比較簡(jiǎn)單但同時(shí)也非常重要。Java并發(fā)包就是在CAS操作和volatile基礎(chǔ)上建立的，下圖中列舉了J.U.C包中的部分類支撐圖：

到此這篇關(guān)于Java synchronized與CAS使用方式詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java synchronized與CAS內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！