Java同步锁synchronized怎么使用

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一、并发同步问题

线程安全是Java并发编程中的重点，而造成线程安全问题的主要原因有两点，一是存在共享数据(也称临界资源)，二是存在多条线程共同操作共享数据。因此，当存在多个线程操作共享数据时，需要保证同一时刻有且只有一个线程在操作共享数据，其他线程必须等到该线程处理完数据后再进行，这种方式就叫互斥锁。也就是说当一个共享数据被正在访问的线程加上互斥锁后，在同一个时刻，其他线程只能处于等待的状态，直到当前线程处理完毕释放该锁。在 Java 中，关键字 synchronized可以保证在同一个时刻，只有一个线程可以执行某个方法或者某个代码块(主要是对方法或者代码块中存在共享数据的操作)，同时synchronized还有另外一个重要的作用，它可以可保证一个线程的变化(主要是共享数据的变化)被其他线程所看到(保证可见性，完全可以替代Volatile功能)。

二、锁的简介

synchronized是Java的关键字，是一种同步锁。
Java的内置锁：每个java对象都可以用做一个实现同步的锁，这些锁称为内置锁。线程进入同步代码块或方法的时候会自动获得该锁，在退出同步代码块或方法时会释放该锁。获得内置锁的唯一途径就是进入这个锁的保护的同步代码块或方法。
Java内置锁是一个互斥锁，这就是意味着最多只有一个线程能够获得该锁，当线程A尝试去获得线程B持有的内置锁时，线程A必须等待或者阻塞，直到线程B释放这个锁。
Java的对象锁和类锁：java的对象锁和类锁在锁的概念上基本上和内置锁是一致的，但是两个锁实际是有很大的区别的，对象锁是用于对象实例方法，或者一个对象实例上的，类锁是用于类的静态方法或者一个类的class对象上的。
在Java中，每个对象都有一把锁和两个队列，一个队列用于挂起未获得锁的线程，一个队列用于挂起条件不满足而等待的线程。而synchronized实际上也就是一个加锁和释放锁的集成。JVM负责跟踪对象被加锁的次数。如果一个对象被解锁，其计数变为0。在任务（线程）第一次给对象加锁的时候，计数变为1。每当这个相同的任务（线程）在此对象上获得锁时，计数会递增。只有首先获得锁的任务（线程）才能继续多次获取该对象上的锁。每当任务离开一个synchronized方法，计数递减，当计数为0的时候，锁被完全释放，此时别的任务就可以使用此资源。

三、synchronized的三种应用方式

synchronized可以修饰范围的包括：方法级别，代码块级别；而实际加锁的目标包括：对象锁（普通变量，静态变量），类锁。具体分为三种应用方式：

1.修饰一个实例方法

被修饰的方法称为实例同步方法，其作用范围是整个方法，锁定的是该方法所属的对象（即调用该方法的对象）。所有需要获得该对象锁的操作都会对该对象加锁（即访问该对象的其他同步实例方法或进入对该对象加锁的代码块）。实例同步方法的代码如下：

public synchronized void method(){
   // 具体代码
}

当一个对象O1在不同的线程中执行这个同步方法时，他们之间会形成互斥，达到同步的效果。但是这个对象所属类的另一对象O2却能够调用这个被加了synchronized关键字的方法。 每个对象实例对应一把锁，线程只有获得对象实例的锁才能执行它的synchronized方法。 如果一个对象有多个synchronized方法，只要一个线程访问了其中的一个synchronized方法，其它线程不能同时访问这个对象中任何一个synchronized方法。但是该类的其他对象实例的 synchronized方法是不相干扰的。这种机制确保了同一时刻对于每一个对象实例，其所有声明为 synchronized 的成员方法中至多只有一个处于可执行状态（因为至多只有一个能够获得该类实例对应的锁），从而有效避免了类成员变量的访问冲突（只要所有可能访问类成员变量的方法均被声明为synchronized）。上边的示例代码等同于如下代码：

public void method(){
   synchronized(this){
       //具体代码
   }
}

其中this指的是调用这个方法的对象，如O1。可见同步方法实质是将synchronized作用于对象引用。只有获得O1对象锁的线程，才能够调用O1的同步方法，而对O2而言，O1对象锁和它互不关联，其他线程调用O2中的相同方法时，并不会产生同步阻塞。程序也可能在这种情形下摆脱同步机制的控制，造成数据混乱。sychronized修饰方法时需要注意以下3点：

（1）synchronized关键字不能继承。

虽然可以使用synchronized来定义方法，但synchronized并不属于方法定义的一部分，因此，synchronized关键字不能被继承。如果在父类中的某个方法使用了synchronized关键字，而在子类中覆盖了这个方法，在子类中的这个方法默认情况下并不是同步的，必须显式地在子类为这个方法加上synchronized关键字才可以。当然，还可以在子类方法中调用父类中相应的方法，这样虽然子类中的方法不是同步的，但子类调用了父类的同步方法，因此，子类的方法也就相当于同步了。这两种方式的示例代码如下：
  手动加上synchronized修饰

class Parent{
  public synchronized void method() {}
}
class Child{
  public synchronized void method() {}
}

  在子类中调用父类同步方法

class Parent{
  public synchronized void method() {}
}
class Child{
  public synchronized void method() {}
}

（2）在定义接口方法时不能使用synchronized关键字。
（3）构造方法不能使用synchronized关键字，但可以使用synchronized代码块来进行同步。

2.修饰一个静态方法

被修饰的方法被称为静态同步方法，其作用的范围是整个静态方法，锁是静态方法所属的类(即Class对象)。所有需要获得该类的任意对象的锁，都会触发同步。静态同步方法的示例如下图：

上述代码中，虽然创建了SynThread类的两个对象，但是该类中的run方法调用的是静态同步方法，所以在运行过程中会同步执行。因此，synchronized作用在静态方法上时，可以防止多个线程同时访问这个类中的静态方法，它对类的所有实例对象都起作用。

3.修饰一个代码块

被修饰的代码块称为同步语句块。synchronized的括号中必须传入一个对象（实例对象或类的Class对象）作为锁。其作用范围是大括号{}括起来的代码，锁是Synchronized括号里指定的内容。按照对象的类型可以分为类锁和对象锁。

（1）锁对象为实例对象

public void method(Object o) {   
    synchronized(o) {          
       ...  
    }
}

上述代码锁定的就是o这个对象，只要进入以该对象为锁的任何代码都会触发同步。当有一个明确的对象作为锁时，可以直接以该对象作为锁。当没有明确的对象作为锁，只是想让一段代码同步时，可以创建一个特殊的对象来充当锁。例如：

private byte[] lock = new byte[0];

注：查看编译后的字节码：生成零长度的byte[]对象只需3条操作码，而Object lock = new Object()则需要7行操作码。因此使用特殊对象来充当锁，大大节省了系统的开销。

（2）锁对象为类的Class对象

public class Demo{
  ...
  public static void method(){
    synchronized(Demo.class){
      ...
    }
  }
}

上述代码是以Demo类的Class对象为锁，进入以该类任意实例对象为锁的代码都会触发同步，其效果类似于静态同步方法。

四、synchronized的实现原理

monitor对象
Java中的同步代码块是使用monitorenter和monitorexit指令实现的，其中monitorenter指令插入到同步代码块的开始位置，monitorexit指令插入到同步代码块的结束位置。JVM保证每一个monitorenter都有一个monitorexit与之相对应。任何对象都有一个monitor与之相关联，当线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取锁对象所对应的monitor所有权，即尝试获取对象的锁；当线程执行monitorexit指令时，锁的monitor就会被释放。同步方法的实现与同步块略有不同，它依靠的是方法修饰符上的ACC_SYNCHRONIZED实现。synchronized具体的实现原理详见本人另一篇文章：
深入理解Java中Synchronized的实现原理

五、Synchronized与重入锁ReentrantLock的区别

(1) 相对于ReentrantLock而言，synchronized锁是重量级锁，重量级体现在活跃性差一点。同时synchronized锁是内置锁，意味着JVM能基于synchronized锁做一些优化：比如增加锁的粒度(锁粗化)、锁消除。
(2) 在synchronized锁上阻塞的线程是不可中断的：线程A获得了synchronized锁，当线程B也去获取synchronized锁时会被阻塞。而且线程B无法被其他线程中断(不可中断的阻塞)，而ReentrantLock锁能实现可中断的阻塞。
(3) synchronized锁释放是自动的，当线程执行退出synchronized锁保护的同步代码块时，会自动释放synchronized锁。而ReentrantLock需要显示地释放：即在try-finally块中释放锁。
(4) 线程在竞争synchronized锁时是非公平的：假设synchronized锁目前被线程A占有，线程B请求锁未果，被放入队列中，线程C请求锁未果，也被放入队列中，线程D也来请求锁，恰好此时线程A将锁释放了，那么线程D将跳过队列中所有的等待线程并获得这个锁。而ReentrantLock能够实现锁的公平性。
(5) synchronized锁是读写互斥并且读读也互斥，ReentrantReadWriteLock 分为读锁和写锁，而读锁可以同时被多个线程持有，适合于读多写少场景的并发。
(6) ReentrantLock锁的是代码块，synchronized还能锁方法和类。ReentrantLock可以知道线程有没有拿到锁，而synchronized不能。

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