Java之戳中痛点之 synchronized 深度解析

点击上方“方志朋”，选择“设为星标”

回复”666“获取新整理的面试文章

作者：Json_wangqiang
cnblogs.com/JsonShare/p/11433302.html

概览：

简介：作用、地位、不控制并发的影响
用法：对象锁和类锁
多线程访问同步方法的7种情况
性质：可重入、不可中断
原理：加解锁原理、可重入原理、可见性原理
缺陷：效率低、不够灵活、无法预判是否成功获取到锁
如何选择Lock或Synchronized
如何提高性能、JVM如何决定哪个线程获取锁
总结

后续会有代码演示，测试环境 JDK8、IDEA

一、简介

1、作用

能够保证在同一时刻最多只有一个线程执行该代码，以保证并发安全的效果。

2、地位

Synchronized是Java关键字，Java原生支持
最基本的互斥同步手段
并发编程的元老级别

3、不控制并发的影响

测试：两个线程同时a++，猜一下结果

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;/*** 不使用synchronized,两个线程同时a++** @author JSON*/
public class SynchronizedTest1 implements Runnable{static SynchronizedTest1 st = new SynchronizedTest1();static int a = 0;/*** 不使用synchronized,两个线程同时a++*/public static void main(String[] args) throws Exception{Thread t1 = new Thread(st);Thread t2 = new Thread(st);t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(a);}@Overridepublic void run(){for(int i=0; i<10000; i++){a++;}}
}

预期是20000，但多次执行的结果都小于20000

二、用法：对象锁和类锁

1、对象锁

代码块形式：手动指定锁对象
方法锁形式：synchronized修饰方法，锁对象默认为this

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;/*** 对象锁实例: 代码块形式** @author JSON*/
public class SynchronizedTest2 implements Runnable{static SynchronizedTest2 st = new SynchronizedTest2();public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(st);Thread t2 = new Thread(st);t1.start();t2.start();while(t1.isAlive() || t2.isAlive()){}System.out.println("run over");}@Overridepublic void run(){synchronized (this){System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());try {// 模拟执行内容Thread.sleep(3000);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());}}
}

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;/*** 对象锁实例：synchronized方法* @author JSON*/
public class SynchronizedTest3 implements Runnable{static SynchronizedTest3 st = new SynchronizedTest3();public static void main(String[] args) throws Exception{Thread t1 = new Thread(st);Thread t2 = new Thread(st);t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("run over");}@Overridepublic void run(){method();}public synchronized void method(){System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());try {// 模拟执行内容Thread.sleep(3000);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());}
}

结果：

开始执行:Thread-0
执行结束:Thread-0
开始执行:Thread-1
执行结束:Thread-1
run over

2、类锁

概念：Java类可能有多个对象，但只有一个Class对象

本质：所谓的类锁，不过是Class对象的锁而已

用法和效果：类锁只能在同一时刻被一个对象拥有

形式1：synchronized加载static方法上

形式2：synchronized(*.class)代码块

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;/*** 类锁：synchronized加载static方法上** @author JSON*/
public class SynchronizedTest4 implements Runnable{static SynchronizedTest4 st1 = new SynchronizedTest4();static SynchronizedTest4 st2 = new SynchronizedTest4();public static void main(String[] args) throws Exception{Thread t1 = new Thread(st1);Thread t2 = new Thread(st2);t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("run over");}@Overridepublic void run(){method();}public static synchronized void method(){System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());try {// 模拟执行内容Thread.sleep(3000);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());}
}

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;/*** 类锁：synchronized(*.class)代码块** @author JSON*/
public class SynchronizedTest5 implements Runnable{static SynchronizedTest4 st1 = new SynchronizedTest4();static SynchronizedTest4 st2 = new SynchronizedTest4();public static void main(String[] args) throws Exception{Thread t1 = new Thread(st1);Thread t2 = new Thread(st2);t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("run over");}@Overridepublic void run(){method();}public void method(){synchronized(SynchronizedTest5.class){System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());try {// 模拟执行内容Thread.sleep(3000);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());}}
}

结果：

开始执行:Thread-0
执行结束:Thread-0
开始执行:Thread-1
执行结束:Thread-1
run over

Java知音公众号内回复“面试题聚合”，送你一份面试题宝典

三、多线程访问同步方法的7种情况

两个线程同时访问一个对象的相同的synchronized方法
两个线程同时访问两个对象的相同的synchronized方法
两个线程同时访问两个对象的相同的static的synchronized方法
两个线程同时访问同一对象的synchronized方法与非synchronized方法
两个线程访问同一对象的不同的synchronized方法
两个线程同时访问同一对象的static的synchronized方法与非static的synchronized方法
方法抛出异常后，会释放锁吗

仔细看下面示例代码结果输出的结果，注意输出时间间隔，来预测结论

场景1：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;/*** 两个线程同时访问一个对象的相同的synchronized方法** @author JSON*/
public class SynchronizedScene1 implements Runnable{static SynchronizedScene1 ss = new SynchronizedScene1();public static void main(String[] args) throws Exception{Thread t1 = new Thread(ss);Thread t2 = new Thread(ss);t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("run over");}@Overridepublic void run(){method();}public synchronized void method(){System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());try {// 模拟执行内容Thread.sleep(3000);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());}
}

场景2：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;/*** 两个线程同时访问两个对象的相同的synchronized方法** @author JSON*/
public class SynchronizedScene2 implements Runnable{static SynchronizedScene2 ss1 = new SynchronizedScene2();static SynchronizedScene2 ss2 = new SynchronizedScene2();public static void main(String[] args) throws Exception{Thread t1 = new Thread(ss1);Thread t2 = new Thread(ss2);t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("run over");}@Overridepublic void run(){method();}public synchronized void method(){System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());try {// 模拟执行内容Thread.sleep(3000);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());}
}

场景3：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;/*** 两个线程同时访问两个对象的相同的static的synchronized方法** @author JSON*/
public class SynchronizedScene3 implements Runnable{static SynchronizedScene3 ss1 = new SynchronizedScene3();static SynchronizedScene3 ss2 = new SynchronizedScene3();public static void main(String[] args) throws Exception{Thread t1 = new Thread(ss1);Thread t2 = new Thread(ss2);t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("run over");}@Overridepublic void run(){method();}public synchronized static void method(){System.out.println("开始执行:" + Thread.currentThread().getName());try {// 模拟执行内容Thread.sleep(3000);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}System.out.println("执行结束:" + Thread.currentThread().getName());}
}

场景4：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;/*** 两个线程同时访问同一对象的synchronized方法与非synchronized方法** @author JSON*/
public class SynchronizedScene4 implements Runnable{static SynchronizedScene4 ss1 = new SynchronizedScene4();public static void main(String[] args) throws Exception{Thread t1 = new Thread(ss1);Thread t2 = new Thread(ss1);t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("run over");}@Overridepublic void run(){// 模拟两个线程同时访问 synchronized方法与非synchronized方法if(Thread.currentThread().getName().equals("Thread-0")){method1();}else{method2();}}public void method1(){System.out.println("method1开始执行:" + Thread.currentThread().getName());try {// 模拟执行内容Thread.sleep(3000);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}System.out.println("method1执行结束:" + Thread.currentThread().getName());}public synchronized void method2(){System.out.println("method2开始执行:" + Thread.currentThread().getName());try {// 模拟执行内容Thread.sleep(3000);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}System.out.println("method2执行结束:" + Thread.currentThread().getName());}
}

场景5：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;/*** 两个线程访问同一对象的不同的synchronized方法** @author JSON*/
public class SynchronizedScene5 implements Runnable{static SynchronizedScene5 ss1 = new SynchronizedScene5();public static void main(String[] args) throws Exception{Thread t1 = new Thread(ss1);Thread t2 = new Thread(ss1);t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("run over");}@Overridepublic void run(){// 模拟两个线程同时访问不同的synchronized方法if(Thread.currentThread().getName().equals("Thread-0")){method1();}else{method2();}}public synchronized void method1(){System.out.println("method1开始执行:" + Thread.currentThread().getName());try {// 模拟执行内容Thread.sleep(3000);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}System.out.println("method1执行结束:" + Thread.currentThread().getName());}public synchronized void method2(){System.out.println("method2开始执行:" + Thread.currentThread().getName());try {// 模拟执行内容Thread.sleep(3000);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}System.out.println("method2执行结束:" + Thread.currentThread().getName());}
}

场景6：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;/*** 两个线程同时访问同一对象的static的synchronized方法与非static的synchronized方法** @author JSON*/
public class SynchronizedScene6 implements Runnable{static SynchronizedScene6 ss1 = new SynchronizedScene6();public static void main(String[] args) throws Exception{Thread t1 = new Thread(ss1);Thread t2 = new Thread(ss1);t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("run over");}@Overridepublic void run(){// 模拟两个线程同时访问static的synchronized方法与非static的synchronized方法if(Thread.currentThread().getName().equals("Thread-0")){method1();}else{method2();}}public static synchronized void method1(){System.out.println("method1开始执行:" + Thread.currentThread().getName());try {// 模拟执行内容Thread.sleep(3000);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}System.out.println("method1执行结束:" + Thread.currentThread().getName());}public synchronized void method2(){System.out.println("method2开始执行:" + Thread.currentThread().getName());try {// 模拟执行内容Thread.sleep(3000);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}System.out.println("method2执行结束:" + Thread.currentThread().getName());}
}

场景7：

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;/*** 方法抛出异常后，会释放锁吗** @author JSON*/
public class SynchronizedScene7 implements Runnable{static SynchronizedScene7 ss1 = new SynchronizedScene7();public static void main(String[] args) throws Exception{Thread t1 = new Thread(ss1);Thread t2 = new Thread(ss1);t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("run over");}@Overridepublic void run(){method1();}public synchronized void method1(){System.out.println("method1开始执行:" + Thread.currentThread().getName());try {// 模拟执行内容Thread.sleep(3000);}catch (Exception e){e.printStackTrace();}// 模拟异常throw new RuntimeException();//System.out.println("method1执行结束:" + Thread.currentThread().getName());}
}

Java知音公众号内回复“面试题聚合”，送你一份面试题宝典

总结：

1、两个线程同时访问一个对象的相同的synchronized方法

同一实例拥有同一把锁，其他线程必然等待，顺序执行

2、两个线程同时访问两个对象的相同的synchronized方法

不同的实例拥有的锁是不同的，所以不影响，并行执行

3、两个线程同时访问两个对象的相同的static的synchronized方法

静态同步方法，是类锁，所有实例是同一把锁，其他线程必然等待，顺序执行

4、两个线程同时访问同一对象的synchronized方法与非synchronized方法

非synchronized方法不受影响，并行执行

5、两个线程访问同一对象的不同的synchronized方法

同一实例拥有同一把锁，所以顺序执行（说明：锁的是this对象==同一把锁）

6、两个线程同时访问同一对象的static的synchronized方法与非static的synchronized方法

static同步方法是类锁，非static是对象锁，原理上是不同的锁，所以不受影响，并行执行

7、方法抛出异常后，会释放锁吗

会自动释放锁，这里区别Lock，Lock需要显示的释放锁

3个核心思想：

一把锁只能同时被一个线程获取，没有拿到锁的线程必须等待（对应1、5的情景）
每个实例都对应有自己的一把锁，不同的实例之间互不影响；例外：锁对象是*.class以及synchronized被static修饰的时候，所有对象共用同一把锁（对应2、3、4、6情景）
无论是方法正常执行完毕还是方法抛出异常，都会释放锁（对应7情景）

补充：

问题：目前进入到被synchronized修饰的方法，这个方法里边调用了非synchronized方法，是线程安全的吗？

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;/*** 目前进入到被synchronized修饰的方法，这个方法里边调用了非synchronized方法，是线程安全的吗？** @author JSON*/
public class SynchronizedScene8 {public static void main(String[] args) {new Thread(() -> {method1();}).start();new Thread(() -> {method1();}).start();}public static synchronized void method1() {method2();}private static void method2() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入非Synchronized方法");try {Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束非Synchronized方法");}
}

结论：这样是线程安全的

四、性质

1、可重入

指的是同一线程的外层函数获取锁之后，内层函数可以直接再次获取该锁

Java典型的可重入锁：synchronized、ReentrantLock

好处：避免死锁，提升封装性

粒度：线程而非调用

情况1：证明同一方法是可重入的
情况2：证明可重入不要求是同一方法
情况3：证明可重入不要求是同一类中的

2、不可中断

一旦这个锁被别的线程获取了，如果我现在想获得，我只能选择等待或者阻塞，直到别的线程释放这个锁，如果别的线程永远不释放锁，那么我只能永远的等待下去。

相比之下，Lock类可以拥有中断的能力，第一点：如果我觉得我等待的时间太长了，有权中断现在已经获取到锁的线程执行；第二点：如果我觉得我等待的时间太长了不想再等了，也可以退出。

五、原理

1、加解锁原理（现象、时机、深入JVM看字节码）

现象：每一个类的实例对应一把锁，每一个synchronized方法都必须首先获得调用该方法的类的实例的锁，方能执行，否则就会阻塞，方法执行完成或者抛出异常，锁被释放，被阻塞线程才能获取到该锁，执行。

获取和释放锁的时机：内置锁或监视器锁

package cn.jsonshare.java.base.synchronizedtest;import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;/*** method1 等价于 method2** @author JSON* @date 2019-08-29*/
public class SynchronizedToLock1 {Lock lock = new ReentrantLock();public synchronized void method1(){System.out.println("执行method1");}public void method2(){lock.lock();try {System.out.println("执行method2");}catch (Exception e){e.printStackTrace();}finally {lock.unlock();}}public static void main(String[] args) {SynchronizedToLock1 sl = new SynchronizedToLock1();// method1 等价于 method2sl.method1();sl.method2();}
}

深入JVM看字节码：

...
monitorenter指令
...
monitorexit指令
...

2、可重入原理（加锁次数计数器）

JVM负责跟踪对象被加锁的次数

线程第一次给对象加锁的时候，计数变为1，每当这个相同的线程在此对象上再次获得锁时，计数会递增

每当任务离开时，计数递减，当计数为0的时候，锁被完全释放

3、可见性原理（内存模型）

Java内存模型

线程A向线程B发送数据的过程（JMM控制）

synchronized关键字实现可见性：

被synchronized修饰，那么执行完成后，对对象所做的任何修改都要在释放锁之前，都要从线程内存写入到主内存，所以主内存中的数据是最新的。

六、缺陷

1、效率低

1)、锁的释放情况少（线程执行完成或者异常情况释放）

2)、试图获得锁时不能设定超时（只能等待）

3)、不能中断一个正在试图获得锁的线程（不能中断）

2、不够灵活

加锁和释放的时机比较单一，每个锁仅有单一的条件（某个对象），可能是不够的

比如：读写锁更灵活

3、无法预判是否成功获取到锁

七、常见问题

1、synchronized关键字注意点：

锁对象不能为空
作用域不宜过大
避免死锁

2、如何选择Lock和synchronized关键字？

总结建议（优先避免出错的原则）：

如果可以的话，尽量优先使用java.util.concurrent各种类（不需要考虑同步工作，不容易出错）
优先使用synchronized，这样可以减少编写代码的量，从而可以减少出错率
若用到Lock或Condition独有的特性，才使用Lock或Condition

八、总结

一句话总结synchronized：

JVM会自动通过使用monitor来加锁和解锁，保证了同一时刻只有一个线程可以执行指定的代码，从而保证线程安全，同时具有可重入和不可中断的特性。

热门内容：数据库链接池终于搞对了，这次直接从100ms优化到3ms！
被面试官问懵B了，十亿级数据ES搜索怎么优化？
骚操作 | 不重启 JVM，替换掉已经加载的类，偷天换日？分布式锁用 Redis 还是 Zookeeper？写那么多年Java，还不知道啥是Java agent 的必须看一下！
科普｜什么是负载均衡（Load balancing）最近面试BAT，整理一份面试资料《Java面试BAT通关手册》，覆盖了Java核心技术、JVM、Java并发、SSM、微服务、数据库、数据结构等等。获取方式：点“在看”，关注公众号并回复 666 领取，更多内容陆续奉上。
明天见(｡･ω･｡)ﾉ♡