并发王者课 - 青铜4：synchronized用法初体验

2023-11-04 20:16:58

在前面的文章《双刃剑-理解多线程带来的安全问题》中，我们提到了多线程情况下存在的线程安全问题。本文将以这个问题为背景，介绍如何通过使用synchronized关键字解这一问题。当然，在青铜阶段，我们仍不会过多地描述其背后的原理，重点还是先体验并理解它的用法。

一、从场景中体验synchronized

是谁击败了主宰

在峡谷中，击败主宰可以获得高额的经济收益。因此，在条件允许的情况下，大家都会争相击败主宰。于是，哪吒和敌方的兰陵王开始争夺主宰。按规矩，谁是击败主宰的最后一击，谁便是胜利的一方。

假设主宰的初始血量是100，我们通过代码来模拟下：

public class Master {
    //主宰的初始血量
    private int blood = 100;

    //每次被击打后血量减5
    public int decreaseBlood() {
        blood = blood - 5;
        return blood;
    }

    //通过血量判断主宰是否还存活
    public boolean isAlive() {
        return blood > 0;
    }
}

我们定义了哪吒和兰陵王两个线程，让他们同时攻击主宰：

 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("哪吒击败了主宰！");
                        }
                    } 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("兰陵王击败了主宰！");
                        }
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };
        neZhaAttachThread.start();
        lanLingWangThread.start();
    }

下面是运行的结果：

兰陵王击败了主宰！
哪吒击败了主宰！

Process finished with exit code 0

两人竟然都获得了主宰！很显然，我们不可能接受这样的结果。然而，细看代码，你会发现这个神奇的结果其实一点也不意外，两个线程在对blood做并发减法时出了错误，因为代码中压根没有必要的并发安全控制。

当然，解决办法也比较简单，在decreaseBlood方法上添加synchronized关键字即可：

public synchronized int decreaseBlood() {
       blood = blood - 5;
       return blood;
}

为什么加上synchronized关键字就可以了呢？这就需要往下看了解Java中的锁和同步了。

二、认识synchronized

1. 理解Java对象中的锁

在理解synchronized之前，我们先简单理解下锁的概念。在Java中，每个对象都会有一把锁。当多个线程都需要访问对象时，那么就需要通过获得锁来获得许可，只有获得锁的线程才能访问对象，并且其他线程将进入等待状态，等待其他线程释放锁。如下图所示：

2. 理解synchronized关键字

根据Sun官文文档的描述，synchronized关键字提供了一种预防线程干扰和内存一致性错误的简单策略，即如果一个对象对多个线程可见，那么该对象变量（final修饰的除外）的读写都需要通过synchronized来完成。

你可能已经注意到其中的两个关键名词：

线程干扰（Thread Interference）：不同线程中运行但作用于相同数据的两个操作交错时，就会发生干扰。这意味着这两个操作由多个步骤组成，并且步骤顺序重叠；
内存一致性错误（Memory Consistency Errors）：当不同的线程对应为相同数据的视图不一致时，将发生内存一致性错误。内存一致性错误的原因很复杂，幸运的是，我们不需要详细了解这些原因，所需要的只是避免它们的策略。

从竞态的角度讲，线程干扰对应的是Read-modify-write，而内存一致性错误对应的则是Check-then-act。

结合锁和synchronized的概念可以理解为，锁是多线程安全的基础机制，而synchronized是锁机制的一种实现。

三、synchronized的四种用法

1. 在实例方法中使用synchronized

public synchronized int decreaseBlood() {
       blood = blood - 5;
       return blood;
}

注意这段代码中的synchronized字段，它表示当前方法每次能且仅能有一个线程访问。另外，由于当前方法是实例方法，所以如果该对象存在多个实例的话，不同的实例可以由不同的线程访问，它们之间并无协作关系。

然而，你可能已经想到了，如果当前线程中有两个synchronized方法，不同的线程是否可以访问不同的synchronized方法呢？

答案是：不能。

这是因为每个实例内的同步方法，能且仅能有一个线程访问。

2. 在静态方法中使用synchronized

public static synchronized int decreaseBlood() {
       blood = blood - 5;
       return blood;
}

与实例方法的synchronized不同，静态方法的synchronized是基于当前方法所属的类，即Master.class，而每个类在虚拟机上有且只有一个类对象。所以，对于同一类而言，每次有且只能有一个线程能访问静态synchronized方法。

当类中包含有多个静态的synchronized方法时，每次也仍然有且只能有一个线程可以访问其中的方法。

注意： 从synchronized在实例方法和静态方法中的应用可以看出，synchronized方法是否能允许其他线程的进入，取决于synchronized的参数。每个不同的参数，在同一时刻都只允许一个线程访问。基于这样的认知，下面的两种用法就很容易理解了。

3. 在实例方法的代码块中使用synchronized

public int decreaseBlood() {
    synchronized(this) {
       blood = blood - 5;
       return blood;
    }
}

在某些情况下，你不需要在整个方法层面使用synchronized，毕竟这样的方式粒度较大，容易产生阻塞。此时，在代码块中使用synchronized就是非常不错的选择，如上面代码所示。

刚才已经提到，synchronized的并发限制取决于其参数，在上面这段代码中的参数是this，即当前类的实例对象。而在前面的public synchronized int decreaseBlood()中，synchronized的参数也是当前类的实例对象。因此，下面这两段代码是等同的：

public int decreaseBlood() {
    synchronized(this) {
       blood = blood - 5;
       return blood;
    }
}

public synchronized int decreaseBlood() {
       blood = blood - 5;
       return blood;
}

4. 在静态方法的代码块中使用synchronized

同理，下面这两个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小结

前面，我们已经介绍了synchronized的几种常见用法，不必死记硬背，你只要记住synchronized可以接受任何非null对象作为参数，而每个参数在同一时刻能且只能允许一个线程访问即可。此外，还有一些具有实际指导意义的Tips你可以注意下：

Java中的synchronized关键字用于解决多线程访问共享资源时的同步，以解决线程干扰和内存一致性问题；
你可以通过 代码块（code block） 或者 方法（method） 来使用synchronized关键字；
synchronized的原理基于对象中的锁，当线程需要进入synchronized修饰的方法或代码块时，它需要先获得锁并在执行结束后释放它；
当线程进入非静态（non-static）同步方法时，它获得的是对象实例（Object level）的锁。而线程进入静态同步方法时，它所获得的是类实例（Class level）的锁，两者没有必然关系；
如果synchronized中使用的对象是null，将会抛出NullPointerException错误；
synchronized对方法的性能有一定影响，因为线程要等待获取锁；
使用synchronized时尽量使用代码块，而不是整个方法，以免阻塞整个方法；
尽量不要使用String类型和原始类型作为参数。这是因为，JVM在处理字符串、原始类型时会对它们进行优化。比如，你原本是想对不同的字符串进行加锁，然而JVM认为它们是同一个，很显然这不是你想要的结果。

关于synchronized的可见性、指令排序等底层原理，我们会在后面的阶段中详细介绍。

以上就是文本的全部内容，恭喜你又上了一颗星！✨

夫子的试炼

手写代码体验synchronized的不同用法。

参考资料

https://docs.oracle.com/javase/tutorial/essential/concurrency/syncmeth.html
https://javagoal.com/synchronization-in-java/

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