带你进入Synchronized关键字

1. 概览


这篇文章将会介绍java中的同步代码块。

在多线程环境中,当俩个或多个线程试图在同一时间更新一个互斥共享数据时,就会产生竞争(race condition)。java提供了一整套机制去避免竞争,那就是当线程对共享数据访问时进行同步synchronize操作。


2. 为什么要同步?

我们来设想一个最典型的竞争场景,那就是在我们进行求和运算时,有多个线程执行calcute()方法:

public class BaeldungSynchronizedMethods 

    privateintsum = 0;

  public  void calculate() {

        setSum(getSum() + 1);

    }

 // standard setters and getters

}

现在我们来写一个简单得测试:

@Test

  public void  givenMultiThread_whenNonSyncMethod() {

    ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(3);

    BaeldungSynchronizedMethods summation = newBaeldungSynchronizedMethods();

     IntStream.range(0, 1000)

      .forEach(count -> service.submit(summation::calculate));

    service.awaitTermination(1000, TimeUnit.MILLISECONDS);

     assertEquals(1000, summation.getSum());

}

很简单,我们使用一个拥有3个线程池的ExecutorService 去运行1000次 calculte()方法。如果我们串行地运行,期望的结果是1000,但是,几乎每一次当我们使用多线程去执行时,都是失败的,得到的是不一致的输出结果

  e.g:

  java.lang.AssertionError: expected:<1000> but was:<965>

at org.junit.Assert.fail(Assert.java:88)

at org.junit.Assert.failNotEquals(Assert.java:834)

...

这个结果当然不是我们所期望的。

避免竞争的最简单的方式是 : 通过使用 synchronized 关键字来让我们的操作变成一个线程安全的操作。


3. synchronized 关键字

synchronized关键字可以在不同的层次上使用:

  . 实例方法

  . 静态方法

  . 代码块

  当我们使用synchronized块时,java内部会使用一个监视器monitor(也就是大家熟知的,monitor  lock 或 intrinsic lock) 去提供同步。这些monitor都会和一个对象绑定,因此,相同对象的所有同步代码块在同一时刻只会有一个线程在执行。


3.1 同步实例方法


   简单地把synchronized关键字放在方法声明里就能让方法同步:

    publicsynchronizedvoidsynchronisedCalculate() {

    setSum(getSum() + 1);

}

请注意,一旦我们同步了这个方法,这个测试案例就执行通过了,并且输出了1000:

@Test

publicvoidgivenMultiThread_whenMethodSync() {

    ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(3);

    SynchronizedMethods method = newSynchronizedMethods();

    IntStream.range(0, 1000)

      .forEach(count -> service.submit(method::synchronisedCalculate));

    service.awaitTermination(1000, TimeUnit.MILLISECONDS);

    assertEquals(1000, method.getSum());

}

实例方法将借助于该类的实例实现同步,也就是意味着 该类的每一个实例只有一个线程能执行同步方法。

3.2  同步静态方法


     对静态方法做同步就和实例方法一样:

public static synchronized void  syncStaticCalculate() {

    staticSum = staticSum + 1;

}

使用该类所关联的Class对象来对这些静态方法同步。同时,由于一个JVM中的每一个类只存在一个Class对象,因此,不管该类有多少实例数量, 每个类都只有一个线程能执行该静态方法。

我们来测试一下:

@Test

publicvoidgivenMultiThread_whenStaticSyncMethod() {

    ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();

     IntStream.range(0, 1000)

      .forEach(count ->

        service.submit(BaeldungSynchronizedMethods::syncStaticCalculate));

    service.awaitTermination(100, TimeUnit.MILLISECONDS);

    assertEquals(1000, BaeldungSynchronizedMethods.staticSum);

}


3.3 方法内部的同步代码块

有时,我们并不想同步整个方法,而仅仅想同步的是该方法中的某一些代码。通过使用同步代码块可以实现这个目的。

publicvoid performSynchrinisedTask() {

    synchronized (this) {

        setCount(getCount()+1);

    }

}

我们来测试一下这个变化:

@Test

publicvoidgivenMultiThread_whenBlockSync() {

    ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(3);

    BaeldungSynchronizedBlocks synchronizedBlocks = newBaeldungSynchronizedBlocks();

    IntStream.range(0, 1000)

      .forEach(count ->

        service.submit(synchronizedBlocks::performSynchronisedTask));

    service.awaitTermination(100, TimeUnit.MILLISECONDS);

    assertEquals(1000, synchronizedBlocks.getCount());

}

请注意,我们传递了一个this参数给同步代码块,这是那个监视器对象,代码块中的代码会在监视器对象上被同步。简单地说,每一个监视器对象只有一个线程能执行代码块中的代码。

 当方法是静态方法时,我们会传递类名称来代替对象引用。并且这个Class对象将会是该同步代码块的监视器。

public static void performStaticSyncTask(){

    synchronized (SynchronisedBlocks.class) {

        setStaticCount(getStaticCount() + 1);

    }

}

  我们来测试一下静态方法中的同步代码块:

@Test

public void givenMultiThread_whenStaticSyncBlock() {

    ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();

    IntStream.range(0, 1000)

      .forEach(count ->

        service.submit(BaeldungSynchronizedBlocks::performStaticSyncTask));

    service.awaitTermination(100, TimeUnit.MILLISECONDS);

    assertEquals(1000, BaeldungSynchronizedBlocks.getStaticCount());

}


5. 总结

在这篇文章中,我们看到了使用synchronized关键字来实现同步的不同方式。同时我们也探究了一个竞争(race condition) 是如何影响到我们的应用的以及同步是如何帮助我们避免的。 文章中的完整代码请去https://github.com/eugenp/tutorials/tree/master/core-java-concurrency

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