併發王者課 - 青銅4：synchronized用法初體驗

在前面的文章《雙刃劍-理解多執行緒帶來的安全問題》中，我們提到了多執行緒情況下存在的執行緒安全問題。本文將以這個問題為背景，介紹如何通過使用synchronized關鍵字解這一問題。當然，在青銅階段，我們仍不會過多地描述其背後的原理，重點還是先體驗並理解它的用法。

一、從場景中體驗synchronized

是誰擊敗了主宰

在峽谷中，擊敗主宰可以獲得高額的經濟收益。因此，在條件允許的情況下，大家都會爭相擊敗主宰。於是，哪吒和敵方的蘭陵王開始爭奪主宰。按規矩，誰是擊敗主宰的最後一擊，誰便是勝利的一方。

假設主宰的初始血量是100，我們通過程式碼來模擬下：

public class Master {

    //主宰的初始血量

    private int blood = 100;

    //每次被擊打後血量減5

    public int decreaseBlood() {

        blood = blood - 5;

        return blood;

    }

    //通過血量判斷主宰是否還存活

    public boolean isAlive() {

        return blood > 0;

    }

}

我們定義了哪吒和蘭陵王兩個執行緒，讓他們同時攻擊主宰：

 public static void main(String[] args) {

        final Master master = new Master();

        Thread neZhaAttachThread = new Thread() {

            public void run() {

                while (master.isAlive()) {

                    try {

                        int remainBlood = master.decreaseBlood();

                        if (remainBlood == 0) {

                            System.out.println("哪吒擊敗了主宰！");

                        }

                    } catch (InterruptedException e) {

                        e.printStackTrace();

                    }

                }

            }

        };

        Thread lanLingWangThread = new Thread() {

            public void run() {

                while (master.isAlive()) {

                    try {

                        int remainBlood = master.decreaseBlood();

                        if (remainBlood == 0) {

                            System.out.println("蘭陵王擊敗了主宰！");

                        }

                    } catch (InterruptedException e) {

                        e.printStackTrace();

                    }

                }

            }

        };

        neZhaAttachThread.start();

        lanLingWangThread.start();

    }

下面是執行的結果：

蘭陵王擊敗了主宰！

哪吒擊敗了主宰！

Process finished with exit code 0

兩人竟然都獲得了主宰！很顯然，我們不可能接受這樣的結果。然而，細看程式碼，你會發現這個神奇的結果其實一點也不意外，兩個執行緒在對blood做併發減法時出了錯誤，因為程式碼中壓根沒有必要的併發安全控制。

當然，解決辦法也比較簡單，在decreaseBlood方法上新增synchronized關鍵字即可：

public synchronized int decreaseBlood() {

       blood = blood - 5;

       return blood;

}

為什麼加上synchronized關鍵字就可以了呢？這就需要往下看了解Java中的鎖和同步了。

二、認識synchronized

1. 理解Java物件中的鎖

在理解synchronized之前，我們先簡單理解下鎖的概念。在Java中，每個物件都會有一把鎖。當多個執行緒都需要訪問物件時，那麼就需要通過獲得鎖來獲得許可，只有獲得鎖的執行緒才能訪問物件，並且其他執行緒將進入等待狀態，等待其他執行緒釋放鎖。如下圖所示：

2. 理解synchronized關鍵字

根據Sun官文文件的描述，synchronized關鍵字提供了一種預防執行緒干擾和記憶體一致性錯誤的簡單策略，即如果一個物件對多個執行緒可見，那麼該物件變數（final修飾的除外）的讀寫都需要通過synchronized來完成。

你可能已經注意到其中的兩個關鍵名詞：

執行緒干擾（Thread Interference）：不同執行緒中執行但作用於相同資料的兩個操作交錯時，就會發生干擾。這意味著這兩個操作由多個步驟組成，並且步驟順序重疊；
記憶體一致性錯誤（Memory Consistency Errors）：當不同的執行緒對應為相同資料的檢視不一致時，將發生記憶體一致性錯誤。記憶體一致性錯誤的原因很複雜，幸運的是，我們不需要詳細瞭解這些原因，所需要的只是避免它們的策略。

從競態的角度講，執行緒干擾對應的是Read-modify-write，而記憶體一致性錯誤對應的則是Check-then-act。

結合鎖和synchronized的概念可以理解為，鎖是多執行緒安全的基礎機制，而synchronized是鎖機制的一種實現。

三、synchronized的四種用法

1. 在例項方法中使用synchronized

public synchronized int decreaseBlood() {

       blood = blood - 5;

       return blood;

}

注意這段程式碼中的synchronized欄位，它表示當前方法每次能且僅能有一個執行緒訪問。另外，由於當前方法是例項方法，所以如果該物件存在多個例項的話，不同的例項可以由不同的執行緒訪問，它們之間並無協作關係。

然而，你可能已經想到了，如果當前執行緒中有兩個synchronized方法，不同的執行緒是否可以訪問不同的synchronized方法呢？

答案是：不能。

這是因為每個例項內的同步方法，能且僅能有一個執行緒訪問。

2. 在靜態方法中使用synchronized

public static synchronized int decreaseBlood() {

       blood = blood - 5;

       return blood;

}

與例項方法的synchronized不同，靜態方法的synchronized是基於當前方法所屬的類，即Master.class，而每個類在虛擬機器上有且只有一個類物件。所以，對於同一類而言，每次有且只能有一個執行緒能訪問靜態synchronized方法。

當類中包含有多個靜態的synchronized方法時，每次也仍然有且只能有一個執行緒可以訪問其中的方法。

注意： 從synchronized在例項方法和靜態方法中的應用可以看出，synchronized方法是否能允許其他執行緒的進入，取決於synchronized的引數。每個不同的引數，在同一時刻都只允許一個執行緒訪問。基於這樣的認知，下面的兩種用法就很容易理解了。

3. 在例項方法的程式碼塊中使用synchronized

public int decreaseBlood() {

    synchronized(this) {

       blood = blood - 5;

       return blood;

    }

}

在某些情況下，你不需要在整個方法層面使用synchronized，畢竟這樣的方式粒度較大，容易產生阻塞。此時，在程式碼塊中使用synchronized就是非常不錯的選擇，如上面程式碼所示。

剛才已經提到，synchronized的併發限制取決於其引數，在上面這段程式碼中的引數是this，即當前類的例項物件。而在前面的public synchronized int decreaseBlood()中，synchronized的引數也是當前類的例項物件。因此，下面這兩段程式碼是等同的：

public int decreaseBlood() {

    synchronized(this) {

       blood = blood - 5;

       return blood;

    }

}

public synchronized int decreaseBlood() {

       blood = blood - 5;

       return blood;

}

4. 在靜態方法的程式碼塊中使用synchronized

同理，下面這兩個方法的效果也是等同的。

public static int decreaseBlood() {

    synchronized(Master.class) {

       blood = blood - 5;

       return blood;

    }

}

public static synchronized int decreaseBlood() {

       blood = blood - 5;

       return blood;

}

四、synchronized小結

前面，我們已經介紹了synchronized的幾種常見用法，不必死記硬背，你只要記住synchronized可以接受任何非null物件作為引數，而每個引數在同一時刻能且只能允許一個執行緒訪問即可。此外，還有一些具有實際指導意義的Tips你可以注意下：

Java中的synchronized關鍵字用於解決多執行緒訪問共享資源時的同步，以解決執行緒干擾和記憶體一致性問題；
你可以通過 程式碼塊（code block） 或者 方法（method） 來使用synchronized關鍵字；
synchronized的原理基於物件中的鎖，當執行緒需要進入synchronized修飾的方法或程式碼塊時，它需要先獲得鎖並在執行結束後釋放它；
當執行緒進入非靜態（non-static）同步方法時，它獲得的是物件例項（Object level）的鎖。而執行緒進入靜態同步方法時，它所獲得的是類例項（Class level）的鎖，兩者沒有必然關係；
如果synchronized中使用的物件是null，將會丟擲NullPointerException錯誤；
synchronized對方法的效能有一定影響，因為執行緒要等待獲取鎖；
使用synchronized時儘量使用程式碼塊，而不是整個方法，以免阻塞整個方法；
儘量不要使用String型別和原始型別作為引數。這是因為，JVM在處理字串、原始型別時會對它們進行優化。比如，你原本是想對不同的字串進行加鎖，然而JVM認為它們是同一個，很顯然這不是你想要的結果。

關於synchronized的可見性、指令排序等底層原理，我們會在後面的階段中詳細介紹。

以上就是文字的全部內容，恭喜你又上了一顆星！

夫子的試煉

手寫程式碼體驗synchronized的不同用法。

參考資料

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