对java多线程里Synchronized的思考

Java基础

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2019-6-3

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    Synchronized这个关键字在多线程里经常会出现,哪怕做到架构师级别了,在考虑并发分流时,也经常会用到它。在本文里,将通过一些代码实验来验证它究竟是“锁”什么。

    在启动多个线程后,它们有可能会并发地执行某个方法或某块代码,从而可能会发生不同线程同时修改同块存储空间内容的情况,这就会造成数据错误。   

1    //需要同步的对象类
2    class SynObject {
3        // 定义两个属性
4        int i;
5        int j;
6        // 把两个属性同时加1
7        public void add() {
8            i++;
9            // 睡眠500毫秒
10            try {
11                Thread.sleep(500);
12            } catch (InterruptedException e) {
13                e.printStackTrace();
14            }
15            j++;
16        // 打印当前i,j的值
17        System.out.println("Operator:+  Data:i=" + i + ",j=" + j);
18      }
19      // 把两个属性同时减1
20      public void minus() {
21        i--;
22        // 睡眠500毫秒
23        try {
24            Thread.sleep(500);
25        } catch (InterruptedException e) {
26             e.printStackTrace();
27        }
28        j--;
29        // 打印当前i,j的值
30        System.out.println("Operator:-  Data:i=" + i + ",j=" + j);
31      }
32    }

    从上文的第2到第32行里,我们定义了一个SynObject类,在其中的第3和第4行里,我们定义了i和j两个属性。

    在第7行的add方法里,我们是把i和j两个属性的值都加1,为了提升该方法被抢占的概率,在第11行里,我们通过sleep方法让该线程睡眠500毫秒。

    同样地我们在第20行定义了minus方法,在其中我们是把i和j都减1,同样在第24行添加了sleep方法。    

33    class SynThreadAdd extends Thread {
34        // 需要同步的对象
35        SynObject o;
36        // 接受需要操作的那个对象的代参构造函数
37        public SynThreadAdd(SynObject o) {
38            this.o = o;
39        }
40        // 覆写线程对象的run方法定义真正的执行逻辑
41        public void run() {
42            for (int i = 0; i < 3; i++) {
43                o.add();
44            }
45        }
46    }

    在第33行里,我们通过extends Thread的方式创建了一个线程对象SynThreadAdd,在第37行的构造函数里,设置待操作的对象o,在第41行的run方法里,我们通过了一个for循环调用了SynObject对象的add方法,对其中的i和j属性进行加的操作。    

47    class SynThreadMinus extends Thread {
48        SynObject o;
49        public SynThreadMinus(SynObject o) {
50            this.o = o;
51        }
52        public void run() {
53            for (int i = 0; i < 3; i++) {
54                o.minus();
55            }
56        }
57    }

    第47行的SynThreadMinus对象和刚才定义的SynThreadAdd对象很相似,同样是通过extends Thread的方式创建了一个线程对象,不同的是,在第52行的run方法里,是通过一个for循环调用了SynObject对象的minus方法,对其中的i和j属性进行减操作。    

58    public class ThreadError {
59        // 测试主函数
60        public static void main(String args[]) {
61            // 实例化需要同步的对象
62            SynObject o = new SynObject();
63            // 实例化两个并行操作该同步对象的线程
64            Thread t1 = new SynThreadAdd(o);
65            Thread t2 = new SynThreadMinus(o);
66            // 启动两个线程
67            t1.start();
68            t2.start();
69        }
70    }

    在main函数里,我们在第62行里创建了一个SynObject对象,在第64和65行里分别创建了SynThreadAdd和SynThreadMinus这两个线程对象,并在67和68这两行里启动了这两个线程。

    我们来看下运行结果,如果大家多次运行,每次的结果会不相同,但不影响下文的讲解。    

1    Operator:+  Data:i=0,j=1
2    Operator:-  Data:i=1,j=0
3    Operator:+  Data:i=0,j=1
4    Operator:-  Data:i=1,j=0
5    Operator:-  Data:i=0,j=-1
6    Operator:+  Data:i=0,j=0

    在第1行里,我们看到的是执行完add方法后的输出,奇怪的是,在这个方法里,我们明明是对i和j这两个对象进行加操作,按理说应当i和j都是1,但这里的值确出乎我们意料,同样地,第2到第5行的输出里,i和j的值也不一致。

    原因出在多线程竞争上,这里的两个线程t1和t2会分别通过add和minus方法操作SynObject对象里的i和j,在多线程并发的情况下,完全有可能按如下表7.1所列的次序执行上述代码。

次序

t1的动作

t2的动作

i

j

1

通过t1.start();方法启动

0

0

2

通过t2.start();方法启动

3

t1通过run方法执行o.add操作

0

0

4

在add方法里执行i++

1

0

5

在add方法里执行sleep方法进入到阻塞状态

1

0

6

处于阻塞状态

t2通过run方法执行o.minus操作

1

0

7

处于阻塞状态

在minus方法里执行i–

0

0

8

处于阻塞状态

在minus方法里执行sleep方法进入到阻塞状态

0

0

9

sleep时间到,恢复执行

处于阻塞状态

0

0

10

执行j++并输出i和j

处于阻塞状态

0

1

    上表解释了为什么在第1行输出里i和j不一致的原因,从中我们能看到,一旦t1通过add方法操作SynObject类型的o对象后,t2线程通过minus方法,也有机会同时地操作这个对象,这样, t1的add方法没执行完(尚未完全地完成对i和j操作),t2的minus方法就插进来并发地操作同一个SynObject类型o对象,所以就导致了数据不一致的问题。这里我们解释了第1行的输出,后继输出的不一致现象是由于同样的原因造成的。

    也就是说,在多线程并发的情况下,多个线程有可能会像上例那样,通过不同的方法同时更改同一个资源(一般把它叫临界资源),这样就会造成临界资源紊乱的情况。

    为了避免这样的问题,我们可以在SyncObject类的add和minus方法前加上synchronized关键字,改写后的SynObject类代码如下所示。    

1    class SynObject {
2        // 定义两个属性,这部分代码不变
3        int i;
4        int j;
5        // 给这个方法加上了synchronized关键字,而且sleep时间是5秒
6        public synchronized  void add() {
7            i++;
8            // 睡眠5秒
9            try {
10                Thread.sleep(5000);
11            } catch (InterruptedException e) {
12                e.printStackTrace();
13           }
14         j++;
15         // 打印当前i,j的值
16         System.out.println("Operator:+  Data:i=" + i + ",j=" + j);
17        }
18        // 也加了synchronized关键字
19         public  synchronized  void minus() {
20            i--;
21            //依然是睡眠500毫秒
22            try {
23                Thread.sleep(500);
24            } catch (InterruptedException e) {
25                e.printStackTrace();
26            }
27            j--;
28            // 打印当前i,j的值
29            System.out.println("Operator:-  Data:i=" + i + ",j=" + j);
30        }

    这里我们是把synchronized关键字作用到方法上。在给出正确的讲解前,我们先列个似是而非的错误的说法,这些错误的说法看上去很有迷惑性,请大家在阅读后一定要明辨是非。

    错误说法:如果我们把synchronized作用在方法上,那么就相当于给这个方法加了锁,也就是说在一个时间段里只可能有一个线程来访问这个方法。

    反驳的依据:我们用反证法,假设上述说法是正确的,加上synchronized后,假设add和minus方法是只能同时被一个线程调用,那么有这种情况,t1调用add,t2调用minus,(这符合假设的说法)由于add里睡眠时间是5秒,而minus是0.5秒,这样minus方法还是有足够多的时间来修改j的值,从而会导致i和j不一致,但我们不论运行多少次程序,均不会再出现i和j不一致的情况,所以这种说法是错的。

    正确的说法:一旦给方法加了synchronized,就相当于给调用该方法的对象加了锁,比如这里的add方法加了synchronized,调用的写法是o.add();,也就是说是给o对象加了把锁,在o.add调用结束之前,其它线程是无法得到o对象的控制和访问权的。

    正确说法的依据:在调用add方法时,哪怕我们在其中sleep了5秒(大家甚至可以修改成睡眠10秒,效果更有说明意义),在这5秒里哪怕我们给了t2线程足够多的时间让它有机会去执行minus去造成i和j不一致,但从输出结果上来看,不会出现i和j不一致的现象。正是因为给o对象加了锁,那么在执行add时就不怕其它线程来抢占o对象了,从而也就不会有数据不一致的问题了。

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作者:hsm_computer