Java 中的 syncronized 你真的用对了吗

2023-07-24 20:36:04

生活中随处可见并行的例子，并行顾名思义就是一起进行的意思，同样的程序在某些时候也需要并行来提高效率，在上一篇文章中我们了解了 Java 语言对缓存导致的可见性问题、编译优化导致的顺序性问题的解决方法，下面我们就来看看 Java 中解决因线程切换导致的原子性问题的解决方案 -- 锁。

说到锁我们并不陌生，日常工作中也可能经常会用到，但是我们不能只停留在用的层面上，为什么要加锁，不加锁行不行，不行的话会导致哪些问题，这些都是在使用加锁语句时我们需要考虑的。

来看一个使用 32 位的 CPU 写 long 型变量需不需要加锁的问题：

我们知道 long 型变量长度为 64 位，在 32 位 CPU 上写 long 型变量至少需要拆分成 2 个步骤：一次写高 32 位，一次写低 32 位。

对于单核 CPU 来说，同一时刻只有一个线程在执行，禁止 CPU 中断就意味着禁止线程切换，获得 CPU 使用权的这个线程就会一直运行，所以 2 次写操作要么同时都被执行，要么都不被执行，单核 CPU 是保证原子性的。

对于多核 CPU，同一时刻，一个线程在 CPU-1 上运行，另一个线程在 CPU-2 上运行，此时禁止 CPU 切换，只能保证 CPU 上有线程运行，并不能保证同一时刻只有一个线程运行，如果两个线程同时都在写高位，那么得出的结果可就不正确了。

所以，互斥修改共享变量这个条件非常重要，也就是说同一时刻只有一个线程在修改共享变量，只要保证这个条件，不论单核还是多核，操作就都是原子性的了。

一说到互斥、原子性，我们马上就想到了代码加锁，没错加锁是正确的选择，但是怎么加呢？要想知道怎么加锁，首先我们要知道加锁锁的是什么以及我们想要保护的资源是什么，看下图说说锁的是什么，要保护的是什么呢？

图中锁的 M 资源，保护的也是 M 资源。

程序中的锁与现实中的锁也是类似的，每一把锁都有自己要保护的资源，这是至关重要的，如图保护资源 M 的锁为 LM，就像我家大门的锁保护我家，你家大门的锁保护你家一样，如果程序出现类似我家大门锁保护你家的情况，那么就会导致诡异的并发问题了。

了解了锁的是什么与保护的是什么之后，我们看看怎么加锁的问题，还是用 count += 1 的例子，看代码：

class Test{
  long value = 0L;
  long get() {
    return value;
  }
  synchronized void addOne() {
    value += 1;
  }
}

分析一下，这段代码中锁的是当前对象，要保护的资源是对象中的成员属性 value，这样的加锁方式开启10 个线程分别调用 10000次 addOne()方法，我们预期的结果是 value 最终会达到 100000，结果如何呢 ?

经过测试，addOne() 不加 synchronized 结果会出现小于 100000 的情况，加上 synchronized 结果符合我们的预期,针对测试结果，简要分析如下：

加锁之后，线程之间是互斥的，也就是说同一时刻只有一个线程执行，这样就原子性可以保证了。

那么可见性呢？一个线程操作结束后另一个线程能获取到上一个线程的操作结果吗？答案是肯定的，这就跟我们上一章说的 happen before 原则联系到一起了，“一个锁的解锁操作对另一个锁的加锁操作是可见的”,再结合传递性规则，一个锁在解锁前，对共享变量的修改，即解锁前对共享变量修改 happen before 于这个锁的解锁，这个锁的解锁操作 happen before于另一个锁的加锁。

所以，解锁前对共享变量修改happen before于另一个锁的加锁，也就是说解锁前对共享变量修改对于另一个锁的加锁是可见的。

到这一切看似还挺完美，其实我们忽略了 get() 方法，多线程操作 get() 方法会是安全的吗？在没有任何前提操作的情况下，直接调用 get() 方法当然没问题，就是取值又不涉及修改。但是如果在执行 addOne() 方法后调用呢？显然，这时候 value 值的修改对 get() 方法是不可见的，happen before 中只说了锁的规则，这里要想保证可见性，对 get()方法也需要加上一把锁。代码如下：

class Test{
  long value = 0L;
  synchronized long get() {
    return value;
  }
  synchronized void addOne() {
    value += 1;
  }
}


这里我们用同一把锁，保护了共享资源 value。说到这，我们根据资源关系来将使用锁的情况分为两种：

保护没有关系的多个资源
保护有关系的多个资源

对于 1 的情况，由于属性之间没有关系，每个资源都用一把锁来控制，例如修改账户的密码、修改余额操作，密码与余额是没有关系的资源，分别用两把锁来控制即可，这种锁叫做细粒度锁，使用不同的锁对受保护的资源进行精细化管理，可以提升性能。

对于 2 的情况，则需要粒度更大的锁去保护多个资源，看下面这段代码：

class Account {
  private int balance;
  // 转账
  synchronized void transfer(
      Account target, int amt){
    if (this.balance > amt) {
      this.balance -= amt;
      target.balance += amt;
    }
  } 
}

乍一看，没问题，转账操作加了锁，妥妥的。其实则不然，看图就明白了：

现在这就是"用我家锁锁了你家"的典型例子，这时候临界区有多个资源，我们应该使用更大粒度的锁，看看这样改怎么样：

class Account {
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    synchronized(Account.class) {
      if (this.balance > amt) {
        this.balance -= amt;
        target.balance += amt;
      }
    }
  } 
}

这里我们用 Account.class 作为更大粒度的锁是可行的， class 就是我们常说的 “类模板”，在 JVM 中只会加载一次，所以所有 Account 对象的类模板都是相同的，这样就能够保证用一把大锁锁住了有关系的共享资源。

问题是解决了，仔细一想，如果用 Account.class 作为锁，那岂不是所有的转账操作都是串行了，这样肯定是不行的，生活中转账肯定也不是串行的，如果串行那效率真的是很太差了。

正确的方式应该是这样的：

class Account {
 //静态属性 替代 Account.class 作为一把大锁
  private static Object lock = new Object();
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    synchronized(lock) {
      if (this.balance > amt) {
        this.balance -= amt;
        target.balance += amt;
      }
    }
  }

这样一改，效率就上来了，问题也解决了，实际在开发中我们这也是我们最常用的加锁的方式，使用静态成员属性作为锁去保护有关系的多个资源。

总结：

我们从导致并发 bug 的原子性问题解决办法---加锁入手，了解了常规加锁方式背后的逻辑---锁的是什么与保护的是什么，与加锁后变量的传递性规则，到最后不同资源关系对应着不同的加锁方式---细粒度锁，粗粒度锁。

如果想了解更多关于锁知识，请看我的这篇文章: 聊聊锁机制

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