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【Java并發(fā)編程的藝術(shù)】第二章讀書筆記之synchronized關(guān)鍵字

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摘要：在之前的文章中學(xué)習(xí)了關(guān)鍵字，可以保證變量在線程間的可見性，但他不能真正的保證線程安全。線程執(zhí)行到指令時(shí)，將會(huì)嘗試獲取對(duì)象所對(duì)應(yīng)的的所有權(quán)，即嘗試獲得對(duì)象的鎖。從可見性上來說，線程通過持有鎖的方式獲取變量的最新值。

在之前的文章中學(xué)習(xí)了volatile關(guān)鍵字，volatile可以保證變量在線程間的可見性，但他不能真正的保證線程安全。

/**
 * @author cenkailun
 * @Date 9/5/17
 * @Time 20:23
 */
public class ConcurrentAddWithVolatile implements Runnable {

    private static ConcurrentAddWithVolatile instance = new ConcurrentAddWithVolatile();
    private static volatile int i = 0;


    public static void increase() {
        i++;
    }

    public void run() {
        for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
            i++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(instance,"線程1");
        Thread t2 = new Thread(instance, "線程2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

如上述代碼所示，如果說兩個(gè)線程是正確的并發(fā)執(zhí)行的話,最后得到的結(jié)果應(yīng)該是2000000，但結(jié)果往往是小于2000000。那么這是為什么呢？

經(jīng)過閱讀書籍，可以得知，i++的這個(gè)操作，其實(shí)是要分成3步。

1. 讀取i的當(dāng)前值到操作棧
2. 對(duì)i的當(dāng)前值+1
3. 寫回i+1后的值

經(jīng)過了上述3步，才完成了i++ 的這個(gè)操作，volatile保證了寫回內(nèi)存后，i的最新值能夠被其他線程獲取，但i++的這三個(gè)動(dòng)作不是一個(gè)整體，即不是原子操作，是可以被拆開的。

比如，線程1和2同時(shí)讀取了i為0,并各自在自己的線程中計(jì)算得到i=1，先后寫入這個(gè)i的值，導(dǎo)致雖然i++被執(zhí)行了兩次，但是實(shí)際i的值只增加了1。

如果要解決這個(gè)問題，就要保證多個(gè)線程在對(duì)i進(jìn)行++ 這個(gè)操作時(shí)完全同步，即i++的這三步是一起完成的，當(dāng)線程1在寫入時(shí)，其他線程不能讀也不能寫，因?yàn)樵诰€程1寫完之前，其他線程讀到的肯定是一個(gè)過期的數(shù)據(jù)。

Java提供了synchronized來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，保證多線程執(zhí)行時(shí)候的同步，某一時(shí)刻只有一個(gè)線程可以對(duì)synchronized關(guān)鍵字保護(hù)起來的區(qū)域進(jìn)行操作，相對(duì)于volatile來說是比較重量級(jí)的。

Java的synchronized關(guān)鍵字具體表現(xiàn)有以下三種形式：

作用于實(shí)例方法，鎖的是當(dāng)前實(shí)例對(duì)象。

作用于靜態(tài)方法，鎖的是當(dāng)前類。

作用于代碼塊，鎖的是Synchronized里配置的對(duì)象。

下面是一個(gè)示例，將synchronized作用于一個(gè)給定對(duì)象instance，每當(dāng)線程要進(jìn)入被包裹的代碼塊，會(huì)請(qǐng)求instance的鎖。如果有其他線程已經(jīng)持有了這把鎖，那么新到的線程就必須等待，這樣保證了每次只有一個(gè)線程會(huì)執(zhí)行i++操作。

/**
 * @author cenkailun
 * @Date 9/5/17
 * @Time 20:23
 */
public class ConcurrentAddWithVolatile implements Runnable {

    private static ConcurrentAddWithVolatile instance = new ConcurrentAddWithVolatile();
    private static volatile int i = 0;


    public static void increase() {
        i++;
    }

    public void run() {
        for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
            synchronized (instance) {     //同步代碼塊
                i++;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(instance,"線程1");
        Thread t2 = new Thread(instance, "線程2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

對(duì)于java中的代碼塊同步，JVM是基于進(jìn)入和退出Monitor對(duì)象來實(shí)現(xiàn)代碼塊同步的，將monitorenter指令插入到同步代碼塊的開始位置，monitorexit插入到方法結(jié)束處和異常處，每一個(gè)對(duì)象都有一個(gè)monitor與之對(duì)應(yīng)，當(dāng)一個(gè)monitor被持有后，它將處于鎖定狀態(tài)。線程執(zhí)行到monitorenter指令時(shí)，將會(huì)嘗試獲取對(duì)象所對(duì)應(yīng)的monitor的所有權(quán)，即嘗試獲得對(duì)象的鎖。

如下面字節(jié)碼所示，代表上文代碼中的同步代碼塊。

13: monitorenter
14: getstatic     #2                  // Field i:I
17: iconst_1
18: iadd
19: putstatic     #2                  // Field i:I
22: aload_2
23: monitorexit

對(duì)于實(shí)例方法或者靜態(tài)方法上加的synchronized關(guān)鍵字，在方法上會(huì)有一個(gè)標(biāo)志位代表，如下面字節(jié)碼所示。

public synchronized void increase();
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED

在我看來，synchronized相對(duì)于volatile的強(qiáng)大之處在于保證了線程安全性以及做到了線程同步，同時(shí)也能做到volatile提供的線程間可見性以及有序性。從可見性上來說，線程通過持有鎖的方式獲取變量的最新值。從有序性上來說，synchronized限制每次只有一個(gè)線程可以訪問同步的代碼，無論內(nèi)部指令順序如何被打亂，jvm會(huì)保證最終執(zhí)行的結(jié)果總是一樣，其他線程只能在獲得鎖后讀取結(jié)果數(shù)據(jù)，不會(huì)讀到中間值，所以有序性問題也得到了解決。

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