多线程与高并发- Synchronized锁

简介

synchronized 是 Java 语言的一个关键字，它允许多个线程同时访问共享的资源，以避免多线程编程中的竞争条件和死锁问题。synchronized可以用来给对象或者方法进行加锁，当对某个对象或者代码块加锁时，同时就只能有一个线程去执行。这种就是互斥关系，被加锁的区域称为临界区，而里面的资源就是临界资源。当一个线程进入临界区的时候，另一个线程就必须等待。

synchronized可以限制对某个资源的访问，但是它锁的并不是资源本身，可以锁住某个对象，只有线程拿到这把锁之后才能够去访问临界资源。如下代码，在我们想执行对count变量进行操作的时候，线程需要拿到o这个对象。

public class T1_Synchronized01 {
    private int count = 1;
    private Object o = new Object();

    public void m1() {
        synchronized (o) { // 必须先拿到o这个锁
            count++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " count = " + count);
        }
    }
}

synchronized基础用法

1、通过对象进行锁

在代码里，可以通过创建一个对象，这样要想拿到临界资源，就必须先获得到这个对象的锁。

public class T1_Synchronized01 {
    private int count = 1;
    private Object o = new Object();

    public void m1() {
        synchronized (o) { // 必须先拿到o这个锁
            count++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " count = " + count);
        }
    }
}

2、通过this

使用this代表锁住的是当前对象，这种方法等同直接把synchronized关键字加在方法前。

public class T1_Synchronized01 {
    private int count = 1;

    public void m2() {
        synchronized (this) { // 必须先拿到this的锁
            count++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " count = " + count);
        }
    }

    public synchronized void m3() { // 与m2一样
        count++;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " count = " + count);
    }

}

3、锁定静态方法

锁定静态方法需要通过类.class，或者直接在静态方法上加上关键字。但是，类.class不能使用this来代替。注：在同一个类加载器中，class是单例的，这也就能保证synchronized能够只让一个线程访问临界资源。

public class T1_Synchronized01 {
    public static void m4() { // 静态方法
        synchronized (T1_Synchronized01.class) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        }
    }

    public synchronized static void m5() {
       System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

4、实验测试

①、首先测试一下，同步和非同步是否可以相互调用
定义两个线程，一个执行同步方法，一个执行非同步方法，如果不能够互相调用，那么，非同步线程就需要等待同步线程执行完之后在继续执行。

public class T3_Synchronized03 {
    public synchronized void one() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " start one method");
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " end one method");
    }

    public void two() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " execute two method");
    }

    public static void main(String[] args) {
        T3_Synchronized03 t = new T3_Synchronized03();
        new Thread(t::one, "第一个线程").start();
        new Thread(t::two, "第二个线程").start();
    }
}

从运行的结果可以看出是可以的。

②、读写不全加锁会怎样
通过购票与查询票数来进行模拟读写加锁问题。
首先，看以下代码是给读写都进行加锁了，在扣掉票数的时候，休眠了2秒，当线程执行了购票之后，通过多个线程去查询票数，每次启动线程会睡眠0.5秒。

public class T4_Synchronized {
    private int ticket = 100; // 模拟100张票

    public synchronized int getTicket() { // 读
        return this.ticket;
    }

    public synchronized void buy(int number) { // 写
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        ticket = ticket - number;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T4_Synchronized bus = new T4_Synchronized();
        System.out.println("刚开始有票数：" + bus.getTicket());
        new Thread(() -> bus.buy(1)).start();
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            Thread.sleep(500);
            int finalI = i;
            new Thread(() -> System.out.println("第" + finalI + "次查询余票数：" + bus.getTicket())).start();
        }

    }
}

运行之后，我们可以发现，数据是正确的，尽管是在查询的时候并没有睡眠0.5秒，显示数据依然是期望数据。

然而，当我们把读的锁去掉，运行代码，会发现，数据读出来了脏数据，为了更好的显示，查询票数的睡眠不要去掉。

③、synchronized的可重入性
定义一个类，类中有两个同步方法，他们锁的对象都是当前类，如果不能够重入，在one线程启动的时候就会死锁。在同步方法one中去调用同步方法two，当线程启动的时候，已经获取了对象的锁，等调用two方法的时候，同样是拿到了这个对象的锁。所以synchronized是可重入的。

public class T5_Synchronized {

    synchronized void one() {
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        two();
        System.out.println("one - thread-" + Thread.currentThread().getName() + " end");
    }

    synchronized void two() {
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        System.out.println("two - thread-" + Thread.currentThread().getName() + " end");
    }

    public static void main(String[] args) {
        T5_Synchronized t5 = new T5_Synchronized();
        new Thread(t5::one, "one1").start();
        new Thread(t5::one, "one2").start();
        new Thread(t5::one, "one3").start();
    }
}

实验结果

④、异常会释放锁
当线程执行过程中出现了异常，synchronized的锁会被释放，这样其他需要访问这个临界资源的线程就能进入执行。

public class T6_Synchronized {
    int count = 0;
    synchronized void add() {
        System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + " start");
        while (true) {
            count++;
            System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + " now count = " + count);
            if (count == 3) {
                throw new NullPointerException("人为异常");
            }
            if (count == 10) {
                throw new NullPointerException("测试结束");
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T6_Synchronized t = new T6_Synchronized();
        new Thread(t::add, "1").start();
        Thread.sleep(1000);
        new Thread(t::add, "2").start();
    }
}

当第一次异常抛出时，线程2就立即进入执行。

synchronized锁的底层原理

synchronized实现锁的基础就是Java对象头，synchronized锁会将线程ID存入mark word（对象头由标记字）。关于mark word，先简要了解一下Java对象。
在Hotspot 虚拟机中，对象在内存中的存储布局，可以分为三个区域:对象头(Header)、实例数据(Instance Data)、对齐填充(Padding)。synchronized主要是跟对象头有关系，在对象头中包含了标记字（mark word）、类指针(klass word)和数组长度(array length)。也就是通过mark word的字节位数来表示各种锁状态。

synchronized锁在线程第一次访问的时候，实际上是没有加锁的，只是在mark word中记录了线程ID，这种就是偏向锁，默认是认为不会有多个线程抢着用，mark word是通过64bit来表示的，通过最低2位也就是锁标志位，偏向锁与无锁的值是01，轻量级锁用00表示，重量级锁用10表示，标记了GC的用11表示，无锁与偏向锁低2位是一致的，在倒数第3位有1位来表示偏向锁位：值为1表示偏向锁。

这里引用一张掘金博客上的图：https://juejin.cn/post/6978882583492821023

synchronized锁升级

● synchronized锁在线程第一次访问的时候，实际上是没有加锁的，只是在mark word中记录了线程ID，默认也就是使用偏向锁。
● 当第二个线程来争用的时候，此时第二个线程会占用cpu，循环等待锁的释放，这时候偏向锁也就升级为自旋锁。
● 当自旋10次之后，就会升级为重量级锁，重量级锁是不占用cpu，他是使用OS的。
当线程数较少、运行时间较短的时候是比较适合使用自旋锁，反之则比较适合重量级锁。

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作者：一个有梦有戏的人
来源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/qq_43843951/article/details/129107202
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