JAVA并发编程： Synchronized 及其实现原理

本文主要是介绍JAVA并发编程： Synchronized 及其实现原理，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

转载： https://www.cnblogs.com/paddix/p/5367116.html

一、Synchronized 的基本使用

　　Synchronized 是 Java中解决并发问题的一种最常用的方法，也是最简单的一种方法。 Synchronized的作用主要有三个：

　　　　确保线程互斥的访问同步代码

　　　　保证共享变量的修改能够及时可见

　　　　有效解决重排序问题

　　从语法上讲，Synchronized 总共有三种方法：

　　　　1）修饰普通方法

　　　　2）修饰静态方法

　　　　3）修饰代码块

　　下面通过几个例子来说明一下三种方式

1、没有同步的情况

public class SynchronizedTest {

    public void method1() {
        System.out.println("Method 1 start");

        try{
            System.out.println("Method 1 Execute");
            Thread.sleep(3000);
        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Method 1 end");
    }

    public void method2() {
        System.out.println("Method 2 start");

        try{
            System.out.println("Method 2 Execute");
            Thread.sleep(1000);
        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Method 2 end");
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test.method1();
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test.method2();
            }
        }).start();
    }
}

执行结果如下，线程1和线程2同时进入执行状态，线程2执行速度要比线程1快，所以线程2线执行完成，这个过程中线程1 和线程2 是同时执行的。

2、对普通方法同步

public class SynchronizedTest {

    public synchronized void method1() {
        System.out.println("Method 1 start");

        try{
            System.out.println("Method 1 Execute");
            Thread.sleep(3000);
        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Method 1 end");
    }

    public synchronized void method2() {
        System.out.println("Method 2 start");

        try{
            System.out.println("Method 2 Execute");
            Thread.sleep(1000);
        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Method 2 end");
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test.method1();
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test.method2();
            }
        }).start();
    }
}

执行结果如下，跟代码一比较，可以明显看出，线程2 需要等待线程1 的method1 执行完成才开始执行 method2 方法。

3、静态方法(类)同步

public class SynchronizedTest {

    public static synchronized void method1() {
        System.out.println("Method 1 start");

        try{
            System.out.println("Method 1 Execute");
            Thread.sleep(3000);
        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Method 1 end");
    }

    public static synchronized void method2() {
        System.out.println("Method 2 start");

        try{
            System.out.println("Method 2 Execute");
            Thread.sleep(1000);
        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Method 2 end");
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedTest test1 = new SynchronizedTest();
        SynchronizedTest test2 = new SynchronizedTest();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test1.method1();
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test2.method2();
            }
        }).start();
    }
}

执行结果如下，对静态方法的同步本质上是对类的同步(静态方法本质上是属于类的方法，而不是对象上的方法), 所以即使test 和 test2 属于不同的对象，但是它们都属于 SynchronizedTest 类的实例，所以也只能顺序执行 method1 和 method2 ,而不能并发执行。

4、代码块同步

public class SynchronizedTest {

    public  void method1() {
        System.out.println("Method 1 start");

        try{
            synchronized (this) {
                System.out.println("Method 1 Execute");
                Thread.sleep(3000);
            }
        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Method 1 end");
    }

    public void method2() {
        System.out.println("Method 2 start");
        try{
            synchronized (this) {
                System.out.println("Method 2 Execute");
                Thread.sleep(1000);
            }
        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Method 2 end");
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test.method1();
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test.method2();
            }
        }).start();
    }
}

执行结果如下，虽然线程1 和线程2 都进入了对应的方法开始执行，但是线程2 在进入同步块之前，需要等待线程1 中同步块执行完成。

二、 Synchronized 原理

如果对上面的执行结果还有疑问，也先不用急，我们先来了解 Synchronized 的原理，再回头上面的问题就一目了然了。先通过反编译下面代码来看看 Synchronized 是如何实现代码块同步的：

package com.paddx.test.concurrent;

public class SynchronizedDemo {
    public void method() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("Method 1 start");
        }
    }
}

反编译结果：

关于这两条指令的作用，我们直接参考 JVM 规范中描述：

monitorenter:

　　每个对象有一个监视器锁(monitor)。当 monitor 被占用时就会处于锁定状态，线程执行 monitorenter 指令时尝试获取 monitor 的所有权，过程如下：

　　1、如果 monitor 的进入数为0，则该线程进入 monitor, 然后将进入数设置为1，该线程即为 monitor 的所持有者。

　　2、如果线程已经占有该 monitor，只是重新进入，则进入 monitor 的进入数加1.

　　3、如果其他线程已经占用了 monitor，则该线程进入阻塞状态，直到 monitor 的进入数为0，再重新尝试获取 monitor 的所有权。

monitorexit:

　　执行 monitorexit 的线程必须是 objectref 所对应的 monitor 的所有者。

　　指令执行时， monitor 的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出 monitor，不再是这个 monitor 的所有者。其他被这个 monitor 阻塞的此岸成可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。

通过这两段描述，我们应该能很清楚的看出 Synchronized 的实现原理， Synchronized的语意底层是通过一个 monitor 的对象来完成，其实 wait / notify 等方法也依赖于 monitor 对象，这就是为什么只有在同步块或者方法中才能调用 wait/notify 等方法，否则会抛出 java.lang.IllegalMonitorStateException 的异常的原因。

　　我们再来看一下同步方法的反编译结果：

package com.paddx.test.concurrent;

public class SynchronizedMethod {
    public synchronized void method() {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

反编译结果：

从反编译的结果来看，方法的同步并没有通过指令 monitorenter 和 monitorexit 来完成(理论上其实也可以通过这两条指令来实现), 不过相对于普通方法，其常量池中多了 ACC_SYNCHRONIZED 标示符。 JVM 就是根据该标示符来实现方法的同步的：当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标识是否被设置，如果设置了，执行线程将先获取 monitor，获取成功之后才能执行方法提，方法执行完后再释放 monitor。在方法执行期间，其他任何线程都无法再获取同一个 monitor 对象。其实本质上没有区别，只是方法的同步是一种瘾式的方式来实现，无需通过字节码来完成。

三、运行结果解释

　　有了对 Synchronized 原理对认识，再来看上面的程序就可以迎刃而解了。

1、代码段2结果：

　　虽然method1 和 method2 是不同的方法，但是这两个方法都进行了同步，并且是通过同一个对象去调用的，所以调用之前都需要先去竞争同一个对象上的锁(monitor)，也就只能护齿的获取到锁，因此， method1 和 method2 只能顺序的执行。

2、代码段3结果：

　　虽然test 和 test2 属于不同的对象，但是test 和 test2 属于同一个类的不同实例，由于 method1 和 method2 都属于静态同步方法，所以调用的时候需要获取同一个类上 monitor (每个类之对应一个 class 对象), 所以也只能顺序的执行。

3、代码段4结果：

　　对于代码块的同步实质上需要获取 Synchronized 关键字后面括号中的对象的 monitor, 由于这段代码中括号的内容都是 this, 而 method1 和 method2 又是通过同一个对象去调用的，所以进入同步块之前需要去竞争同一个对象上的锁，因此只能顺序执行同步块。

四、总结

　　Synchronized 是 Java 并发编程中最常用的用于保证线程安全的方式，其使用相对比较简单。但是如果能够深入了解其原理，对监视器锁底层知识有所了解，一方面可以帮助我们正确的使用 Synchronized 关键字，另一方面也能够帮助我们更好的理解并发编程机制，有助于我们在不同的情况下选择更优的并发策略来完成任务。对平时遇到的各种并发问题，也能够从容的应对。

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