Java多線程編程中synchronized線程同步的教程
0.關(guān)于線程同步
(1)為什么需要同步多線程?
線程的同步是指讓多個運行的線程在一起良好地協(xié)作,達(dá)到讓多線程按要求合理地占用釋放資源。我們采用Java中的同步代碼塊和同步方法達(dá)到這樣的目的。比如這樣的解決多線程無固定序執(zhí)行的問題:
public class TwoThreadTest {
public static void main(String[] args) {
Thread th1= new MyThread1();
Thread th2= new MyThread2();
th1.start();
th2.start();
}
}
class MyThread2 extends Thread{
@Override
public void run() {
for( int i=0;i<10;i++)
System. out.println( "thread 1 counter:"+i);
}
}
class MyThread1 extends Thread{
@Override
public void run() {
for( int i=0;i<10;i++)
System. out.println( "thread 2 counter:"+i);
}
}
這種狀態(tài)下多線程執(zhí)行的結(jié)果是隨機地去任意插入執(zhí)行,這完全取決于JVM對于線程的調(diào)度,在很多要求定序執(zhí)行的情況下,這種隨機執(zhí)行的狀態(tài)顯然是不合要求的。
public class ThreadTest {
public static void main(String[] args) {
MyThread thread = new MyThread();
Thread th1= new Thread(thread);
Thread th2= new Thread(thread);
th1.start();
th2.start();
}
}
class MyThread implements Runnable{
@Override
public synchronized void run() {
for( int i=0;i<10;i++)
System. out.println(Thread. currentThread().getName()+" counter:"+i);
}
}
使用了同步方法后我們就可以控制線程獨占執(zhí)行體對象,這樣在執(zhí)行的過程中就可以使得線程將執(zhí)行體上的任務(wù)一次性執(zhí)行完后退出鎖定狀態(tài),JVM再調(diào)度另一個線程進來一次性運行執(zhí)行體內(nèi)的任務(wù)。
(2)線程創(chuàng)建運行的范式:
在以前我們也有自己的線程創(chuàng)建和運行的編程范式,一般是定義一個執(zhí)行類重寫run()方法,但是這種方式將執(zhí)行體和執(zhí)行的任務(wù)放在了一起,從軟件工程的角度來看不利于解耦。一個線程的執(zhí)行的意思是說線程通過執(zhí)行對象執(zhí)行了某個對象的某個任務(wù),從這個角度來說,將任務(wù)的規(guī)定者從執(zhí)行類中分離出來可以使得多線程編程的各個角色明晰出來,進而獲得良好地解耦,以下就是線程創(chuàng)建和執(zhí)行的編程范式:
public class FormalThreadClass {
public static void main(String[] args) {
Thread thread = new Thread( new MyRunnable());
thread.start();
}
}
class MyRunnable implements Runnable{
MyTask myTask = new MyTask();
@Override
public void run() {
myTask.doTask();
}
}
class MyTask{
public void doTask() {
System. out.println( "This is real Tasking");
}
}
1. synchronized原理
在java中,每一個對象有且僅有一個同步鎖。這也意味著,同步鎖是依賴于對象而存在。
當(dāng)我們調(diào)用某對象的synchronized方法時,就獲取了該對象的同步鎖。例如,synchronized(obj)就獲取了“obj這個對象”的同步鎖。
不同線程對同步鎖的訪問是互斥的。也就是說,某時間點,對象的同步鎖只能被一個線程獲取到!通過同步鎖,我們就能在多線程中,實現(xiàn)對“對象/方法”的互斥訪問。 例如,現(xiàn)在有兩個線程A和線程B,它們都會訪問“對象obj的同步鎖”。假設(shè),在某一時刻,線程A獲取到“obj的同步鎖”并在執(zhí)行一些操作;而此時,線程B也企圖獲取“obj的同步鎖” —— 線程B會獲取失敗,它必須等待,直到線程A釋放了“該對象的同步鎖”之后線程B才能獲取到“obj的同步鎖”從而才可以運行。
2. synchronized基本規(guī)則
我們將synchronized的基本規(guī)則總結(jié)為下面3條,并通過實例對它們進行說明。
第一條: 當(dāng)一個線程訪問“某對象”的“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”時,其他線程對“該對象”的該“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”的訪問將被阻塞。
第二條: 當(dāng)一個線程訪問“某對象”的“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”時,其他線程仍然可以訪問“該對象”的非同步代碼塊。
第三條: 當(dāng)一個線程訪問“某對象”的“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”時,其他線程對“該對象”的其他的“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”的訪問將被阻塞。
(1)第一條:
當(dāng)一個線程訪問“某對象”的“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”時,其他線程對“該對象”的該“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”的訪問將被阻塞。 下面是“synchronized代碼塊”對應(yīng)的演示程序。
class MyRunable implements Runnable {
@Override
public void run() {
synchronized(this) {
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100); // 休眠100ms
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " loop " + i);
}
} catch (InterruptedException ie) {
}
}
}
}
public class Demo1_1 {
public static void main(String[] args) {
Runnable demo = new MyRunable(); // 新建“Runnable對象”
Thread t1 = new Thread(demo, "t1"); // 新建“線程t1”, t1是基于demo這個Runnable對象
Thread t2 = new Thread(demo, "t2"); // 新建“線程t2”, t2是基于demo這個Runnable對象
t1.start(); // 啟動“線程t1”
t2.start(); // 啟動“線程t2”
}
}
運行結(jié)果:
t1 loop 0 t1 loop 1 t1 loop 2 t1 loop 3 t1 loop 4 t2 loop 0 t2 loop 1 t2 loop 2 t2 loop 3 t2 loop 4
結(jié)果說明:run()方法中存在“synchronized(this)代碼塊”,而且t1和t2都是基于"demo這個Runnable對象"創(chuàng)建的線程。這就意味著,我們可以將synchronized(this)中的this看作是“demo這個Runnable對象”;因此,線程t1和t2共享“demo對象的同步鎖”。所以,當(dāng)一個線程運行的時候,另外一個線程必須等待“運行線程”釋放“demo的同步鎖”之后才能運行。
如果你確認(rèn),你搞清楚這個問題了。那我們將上面的代碼進行修改,然后再運行看看結(jié)果怎么樣,看看你是否會迷糊。修改后的源碼如下:
class MyThread extends Thread {
public MyThread(String name) {
super(name);
}
@Override
public void run() {
synchronized(this) {
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100); // 休眠100ms
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " loop " + i);
}
} catch (InterruptedException ie) {
}
}
}
}
public class Demo1_2 {
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new MyThread("t1"); // 新建“線程t1”
Thread t2 = new MyThread("t2"); // 新建“線程t2”
t1.start(); // 啟動“線程t1”
t2.start(); // 啟動“線程t2”
}
}
代碼說明:比較Demo1_2 和 Demo1_1,我們發(fā)現(xiàn),Demo1_2中的MyThread類是直接繼承于Thread,而且t1和t2都是MyThread子線程。
幸運的是,在“Demo1_2的run()方法”也調(diào)用了synchronized(this),正如“Demo1_1的run()方法”也調(diào)用了synchronized(this)一樣!
那么,Demo1_2的執(zhí)行流程是不是和Demo1_1一樣呢?運行結(jié)果:
t1 loop 0 t2 loop 0 t1 loop 1 t2 loop 1 t1 loop 2 t2 loop 2 t1 loop 3 t2 loop 3 t1 loop 4 t2 loop 4
結(jié)果說明:
如果這個結(jié)果一點也不令你感到驚訝,那么我相信你對synchronized和this的認(rèn)識已經(jīng)比較深刻了。否則的話,請繼續(xù)閱讀這里的分析。
synchronized(this)中的this是指“當(dāng)前的類對象”,即synchronized(this)所在的類對應(yīng)的當(dāng)前對象。它的作用是獲取“當(dāng)前對象的同步鎖”。
對于Demo1_2中,synchronized(this)中的this代表的是MyThread對象,而t1和t2是兩個不同的MyThread對象,因此t1和t2在執(zhí)行synchronized(this)時,獲取的是不同對象的同步鎖。對于Demo1_1對而言,synchronized(this)中的this代表的是MyRunable對象;t1和t2共同一個MyRunable對象,因此,一個線程獲取了對象的同步鎖,會造成另外一個線程等待。
(2)第二條:
當(dāng)一個線程訪問“某對象”的“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”時,其他線程仍然可以訪問“該對象”的非同步代碼塊。
下面是“synchronized代碼塊”對應(yīng)的演示程序。
class Count {
// 含有synchronized同步塊的方法
public void synMethod() {
synchronized(this) {
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100); // 休眠100ms
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " synMethod loop " + i);
}
} catch (InterruptedException ie) {
}
}
}
// 非同步的方法
public void nonSynMethod() {
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " nonSynMethod loop " + i);
}
} catch (InterruptedException ie) {
}
}
}
public class Demo2 {
public static void main(String[] args) {
final Count count = new Count();
// 新建t1, t1會調(diào)用“count對象”的synMethod()方法
Thread t1 = new Thread(
new Runnable() {
@Override
public void run() {
count.synMethod();
}
}, "t1");
// 新建t2, t2會調(diào)用“count對象”的nonSynMethod()方法
Thread t2 = new Thread(
new Runnable() {
@Override
public void run() {
count.nonSynMethod();
}
}, "t2");
t1.start(); // 啟動t1
t2.start(); // 啟動t2
}
}
運行結(jié)果:
t1 synMethod loop 0 t2 nonSynMethod loop 0 t1 synMethod loop 1 t2 nonSynMethod loop 1 t1 synMethod loop 2 t2 nonSynMethod loop 2 t1 synMethod loop 3 t2 nonSynMethod loop 3 t1 synMethod loop 4 t2 nonSynMethod loop 4
結(jié)果說明:
主線程中新建了兩個子線程t1和t2。t1會調(diào)用count對象的synMethod()方法,該方法內(nèi)含有同步塊;而t2則會調(diào)用count對象的nonSynMethod()方法,該方法不是同步方法。t1運行時,雖然調(diào)用synchronized(this)獲取“count的同步鎖”;但是并沒有造成t2的阻塞,因為t2沒有用到“count”同步鎖。
(3)第三條:
當(dāng)一個線程訪問“某對象”的“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”時,其他線程對“該對象”的其他的“synchronized方法”或者“synchronized代碼塊”的訪問將被阻塞。
我們將上面的例子中的nonSynMethod()方法體的也用synchronized(this)修飾。修改后的源碼如下:
class Count {
// 含有synchronized同步塊的方法
public void synMethod() {
synchronized(this) {
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100); // 休眠100ms
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " synMethod loop " + i);
}
} catch (InterruptedException ie) {
}
}
}
// 也包含synchronized同步塊的方法
public void nonSynMethod() {
synchronized(this) {
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " nonSynMethod loop " + i);
}
} catch (InterruptedException ie) {
}
}
}
}
public class Demo3 {
public static void main(String[] args) {
final Count count = new Count();
// 新建t1, t1會調(diào)用“count對象”的synMethod()方法
Thread t1 = new Thread(
new Runnable() {
@Override
public void run() {
count.synMethod();
}
}, "t1");
// 新建t2, t2會調(diào)用“count對象”的nonSynMethod()方法
Thread t2 = new Thread(
new Runnable() {
@Override
public void run() {
count.nonSynMethod();
}
}, "t2");
t1.start(); // 啟動t1
t2.start(); // 啟動t2
}
}
運行結(jié)果:
t1 synMethod loop 0 t1 synMethod loop 1 t1 synMethod loop 2 t1 synMethod loop 3 t1 synMethod loop 4 t2 nonSynMethod loop 0 t2 nonSynMethod loop 1 t2 nonSynMethod loop 2 t2 nonSynMethod loop 3 t2 nonSynMethod loop 4
結(jié)果說明:
主線程中新建了兩個子線程t1和t2。t1和t2運行時都調(diào)用synchronized(this),這個this是Count對象(count),而t1和t2共用count。因此,在t1運行時,t2會被阻塞,等待t1運行釋放“count對象的同步鎖”,t2才能運行。
3. synchronized方法 和 synchronized代碼塊
“synchronized方法”是用synchronized修飾方法,而 “synchronized代碼塊”則是用synchronized修飾代碼塊。
synchronized方法示例
public synchronized void foo1() {
System.out.println("synchronized methoed");
}
synchronized代碼塊
public void foo2() {
synchronized (this) {
System.out.println("synchronized methoed");
}
}
synchronized代碼塊中的this是指當(dāng)前對象。也可以將this替換成其他對象,例如將this替換成obj,則foo2()在執(zhí)行synchronized(obj)時就獲取的是obj的同步鎖。
synchronized代碼塊可以更精確的控制沖突限制訪問區(qū)域,有時候表現(xiàn)更高效率。下面通過一個示例來演示:
// Demo4.java的源碼
public class Demo4 {
public synchronized void synMethod() {
for(int i=0; i<1000000; i++)
;
}
public void synBlock() {
synchronized( this ) {
for(int i=0; i<1000000; i++)
;
}
}
public static void main(String[] args) {
Demo4 demo = new Demo4();
long start, diff;
start = System.currentTimeMillis(); // 獲取當(dāng)前時間(millis)
demo.synMethod(); // 調(diào)用“synchronized方法”
diff = System.currentTimeMillis() - start; // 獲取“時間差值”
System.out.println("synMethod() : "+ diff);
start = System.currentTimeMillis(); // 獲取當(dāng)前時間(millis)
demo.synBlock(); // 調(diào)用“synchronized方法塊”
diff = System.currentTimeMillis() - start; // 獲取“時間差值”
System.out.println("synBlock() : "+ diff);
}
}
(某一次)執(zhí)行結(jié)果:
synMethod() : 11 synBlock() : 3
4. 實例鎖 和 全局鎖
實例鎖 -- 鎖在某一個實例對象上。如果該類是單例,那么該鎖也具有全局鎖的概念。
(1)實例鎖對應(yīng)的就是synchronized關(guān)鍵字。
(2)全局鎖 -- 該鎖針對的是類,無論實例多少個對象,那么線程都共享該鎖。
全局鎖對應(yīng)的就是static synchronized(或者是鎖在該類的class或者classloader對象上)。
關(guān)于“實例鎖”和“全局鎖”有一個很形象的例子:
pulbic class Something {
public synchronized void isSyncA(){}
public synchronized void isSyncB(){}
public static synchronized void cSyncA(){}
public static synchronized void cSyncB(){}
}
假設(shè),Something有兩個實例x和y。分析下面4組表達(dá)式獲取的鎖的情況。
(1) x.isSyncA()與x.isSyncB()
(2) x.isSyncA()與y.isSyncA()
(3) x.cSyncA()與y.cSyncB()
(4) x.isSyncA()與Something.cSyncA()
(1) 不能被同時訪問。
因為isSyncA()和isSyncB()都是訪問同一個對象(對象x)的同步鎖!
// LockTest1.java的源碼
class Something {
public synchronized void isSyncA(){
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100); // 休眠100ms
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : isSyncA");
}
}catch (InterruptedException ie) {
}
}
public synchronized void isSyncB(){
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100); // 休眠100ms
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : isSyncB");
}
}catch (InterruptedException ie) {
}
}
}
public class LockTest1 {
Something x = new Something();
Something y = new Something();
// 比較(01) x.isSyncA()與x.isSyncB()
private void test1() {
// 新建t11, t11會調(diào)用 x.isSyncA()
Thread t11 = new Thread(
new Runnable() {
@Override
public void run() {
x.isSyncA();
}
}, "t11");
// 新建t12, t12會調(diào)用 x.isSyncB()
Thread t12 = new Thread(
new Runnable() {
@Override
public void run() {
x.isSyncB();
}
}, "t12");
t11.start(); // 啟動t11
t12.start(); // 啟動t12
}
public static void main(String[] args) {
LockTest1 demo = new LockTest1();
demo.test1();
}
}
運行結(jié)果:
t11 : isSyncA t11 : isSyncA t11 : isSyncA t11 : isSyncA t11 : isSyncA t12 : isSyncB t12 : isSyncB t12 : isSyncB t12 : isSyncB t12 : isSyncB
(2) 可以同時被訪問
因為訪問的不是同一個對象的同步鎖,x.isSyncA()訪問的是x的同步鎖,而y.isSyncA()訪問的是y的同步鎖。
// LockTest2.java的源碼
class Something {
public synchronized void isSyncA(){
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100); // 休眠100ms
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : isSyncA");
}
}catch (InterruptedException ie) {
}
}
public synchronized void isSyncB(){
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100); // 休眠100ms
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : isSyncB");
}
}catch (InterruptedException ie) {
}
}
public static synchronized void cSyncA(){
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100); // 休眠100ms
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : cSyncA");
}
}catch (InterruptedException ie) {
}
}
public static synchronized void cSyncB(){
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100); // 休眠100ms
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : cSyncB");
}
}catch (InterruptedException ie) {
}
}
}
public class LockTest2 {
Something x = new Something();
Something y = new Something();
// 比較(02) x.isSyncA()與y.isSyncA()
private void test2() {
// 新建t21, t21會調(diào)用 x.isSyncA()
Thread t21 = new Thread(
new Runnable() {
@Override
public void run() {
x.isSyncA();
}
}, "t21");
// 新建t22, t22會調(diào)用 x.isSyncB()
Thread t22 = new Thread(
new Runnable() {
@Override
public void run() {
y.isSyncA();
}
}, "t22");
t21.start(); // 啟動t21
t22.start(); // 啟動t22
}
public static void main(String[] args) {
LockTest2 demo = new LockTest2();
demo.test2();
}
}
運行結(jié)果:
t21 : isSyncA t22 : isSyncA t21 : isSyncA t22 : isSyncA t21 : isSyncA t22 : isSyncA t21 : isSyncA t22 : isSyncA t21 : isSyncA t22 : isSyncA
(3) 不能被同時訪問
因為cSyncA()和cSyncB()都是static類型,x.cSyncA()相當(dāng)于Something.isSyncA(),y.cSyncB()相當(dāng)于Something.isSyncB(),因此它們共用一個同步鎖,不能被同時反問。
// LockTest3.java的源碼
class Something {
public synchronized void isSyncA(){
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100); // 休眠100ms
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : isSyncA");
}
}catch (InterruptedException ie) {
}
}
public synchronized void isSyncB(){
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100); // 休眠100ms
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : isSyncB");
}
}catch (InterruptedException ie) {
}
}
public static synchronized void cSyncA(){
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100); // 休眠100ms
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : cSyncA");
}
}catch (InterruptedException ie) {
}
}
public static synchronized void cSyncB(){
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100); // 休眠100ms
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : cSyncB");
}
}catch (InterruptedException ie) {
}
}
}
public class LockTest3 {
Something x = new Something();
Something y = new Something();
// 比較(03) x.cSyncA()與y.cSyncB()
private void test3() {
// 新建t31, t31會調(diào)用 x.isSyncA()
Thread t31 = new Thread(
new Runnable() {
@Override
public void run() {
x.cSyncA();
}
}, "t31");
// 新建t32, t32會調(diào)用 x.isSyncB()
Thread t32 = new Thread(
new Runnable() {
@Override
public void run() {
y.cSyncB();
}
}, "t32");
t31.start(); // 啟動t31
t32.start(); // 啟動t32
}
public static void main(String[] args) {
LockTest3 demo = new LockTest3();
demo.test3();
}
}
運行結(jié)果:
t31 : cSyncA t31 : cSyncA t31 : cSyncA t31 : cSyncA t31 : cSyncA t32 : cSyncB t32 : cSyncB t32 : cSyncB t32 : cSyncB t32 : cSyncB
(4) 可以被同時訪問
因為isSyncA()是實例方法,x.isSyncA()使用的是對象x的鎖;而cSyncA()是靜態(tài)方法,Something.cSyncA()可以理解對使用的是“類的鎖”。因此,它們是可以被同時訪問的。
// LockTest4.java的源碼
class Something {
public synchronized void isSyncA(){
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100); // 休眠100ms
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : isSyncA");
}
}catch (InterruptedException ie) {
}
}
public synchronized void isSyncB(){
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100); // 休眠100ms
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : isSyncB");
}
}catch (InterruptedException ie) {
}
}
public static synchronized void cSyncA(){
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100); // 休眠100ms
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : cSyncA");
}
}catch (InterruptedException ie) {
}
}
public static synchronized void cSyncB(){
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread.sleep(100); // 休眠100ms
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : cSyncB");
}
}catch (InterruptedException ie) {
}
}
}
public class LockTest4 {
Something x = new Something();
Something y = new Something();
// 比較(04) x.isSyncA()與Something.cSyncA()
private void test4() {
// 新建t41, t41會調(diào)用 x.isSyncA()
Thread t41 = new Thread(
new Runnable() {
@Override
public void run() {
x.isSyncA();
}
}, "t41");
// 新建t42, t42會調(diào)用 x.isSyncB()
Thread t42 = new Thread(
new Runnable() {
@Override
public void run() {
Something.cSyncA();
}
}, "t42");
t41.start(); // 啟動t41
t42.start(); // 啟動t42
}
public static void main(String[] args) {
LockTest4 demo = new LockTest4();
demo.test4();
}
}
運行結(jié)果:
t41 : isSyncA t42 : cSyncA t41 : isSyncA t42 : cSyncA t41 : isSyncA t42 : cSyncA t41 : isSyncA t42 : cSyncA t41 : isSyncA t42 : cSyncA
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