【Java编程的思想】理解synchronized

用法和基本原理

synchronized可以用于修饰类的实例方法、静态方法和代码块

实例方法

在介绍并发基础知识的时候，有一部分是关于竞态条件的，当多个线程访问和操作同一个对象时，由于语句不是原子操作，所以得到了不正确的结果。这个地方就可以用synchronized进行处理

public class Counter {

    private int count;

    public synchronized void incr() {
        count++;
    }

    public synchronized int getCount() {
        return count;
    }

}

Counter是一个简单的计数器，incr方法和getCount方法都用synchronized进行了修饰。
加了synchronized后，方法内的代码就变成了原子操作，当多个线程并发更新同一个Counter对象的时候，也不会出现问题。

public class CounterThread extends Thread {

    Counter counter;

    public CounterThread(Counter counter) {
        this.counter = counter;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            counter.incr();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int num = 1000;
        Thread[] threads = new Thread[num];
        Counter counter = new Counter();
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i] = new CounterThread(counter);
            threads[i].start();
        }
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i].join();
        }
        System.out.println(counter.getCount());
    }

}

这是改造后的代码，多个线程进行计数，得到的结果就是预期的了。

看上去，synchronized使得同时只能有一个线程执行实例方法，实际上多个线程是可以同时执行同一个synchronized实例方法的，只要它们访问的对象是不同的即可

Counter counter1 = new Counter();
Counter counter2 = new Counter();
Thread t1 = new CounterThread(counter1);
Thread t2 = new CounterThread(counter2);

这里的t1和t2两个线程是可以同时执行Counter的incr方法的，因为它们访问的是不同的Counter对象。
所以，synchronized实例方法保护的是同一个对象的方法调用，确保同时只有一个线程执行。 对象有一个锁和一个等待队列，锁只能被一个线程持有，其他试图获取同样锁的线程需要等待。

synchronized保护的是对象而非代码，只要访问的是同一个对象的synchronized方法，即使是不同的代码，也会被同步顺序访问。比如，对于Counter中的两个实例方法getCount和incr，对于同一个Counter对象，一个线程执行getCount，另外一个执行incr，它们是不能同时执行的。

静态方法

synchronized对于静态方法，保护的是类对象。

public class StaticCounter {
    private static int count = 0;
    public static synchronized void incr() {
        count++;
    }
    public static synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}

代码块

public class Counter {
    private int count;
    public void incr() {
        synchronized(this) {
            count++;
        }
    }
    public int getCount() {
        synchronized(this) {
            return count;
        }
    }
}

synchronized括号里面的就是保护的对象，可以是任意对象，任意对象都有一个锁和等待队列，也就是说：任何对象都可以作为锁对象。

进一步理解synchronized

可重入性

对于同一个执行线程，它在获取了synchronized锁之后，再调用其他需要同样锁的代码时，是可以直接调用的。

可重入是通过记录锁的持有线程和持有数量来实现的： 当调用被synchronized保护的代码时，检查对象是否已被锁，如果是，再检查是否被当前线程锁定，如果是，增加持有数量；如果不是被当前线程锁定，才加入等待队列。当释放锁时，减少持有数量，当数量变为0时才释放整个锁。

内存可见性

在并发基础知识中有提到内存可见性的问题，多个线程可以共享访问和操作相同的变量，但一个线程对一个共享变量的修改，另一个线程不一定马上就能看到，甚至永远都看不到。

synchronized可以保证内存可见性，在释放锁时，所有写入都会写回内存，而获得锁后，都会从内存中读取最新数据。

死锁

使用synchronized或者其他锁，要注意死锁。
所谓死锁就是：有a、b两个线程，a持有锁A，在等待锁B，而b持有锁B，在等待锁A。a和b进入了互相等待的状态

public class DeadLockDemo {
    private static Object lockA = new Object();
    private static Object lockB = new Object();
    private static void startThreadA() {
        Thread aThread = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                synchronized (lockA) {
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("A sleep over");
                    synchronized (lockB) {
                        System.out.println("A 持有了B锁");
                    }
                }
            }
        };
        aThread.start();
    }
    private static void startThreadB() {
        Thread bThread = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                synchronized (lockB) {
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("B sleep over");
                    synchronized (lockA) {
                        System.out.println("B 持有了A锁");
                    }
                }
            }
        };
        bThread.start();
    }
    public static void main(String[] args) {
        startThreadA();
        startThreadB();
    }
}

运行后aThread和bThread陷入了互相等待。
如何解决？
1. 应该避免在持有一个锁的同时去申请另一个锁，如果确实需要多个锁，所有代码都应该按照相同的顺序去申请锁。
2. 使用显示锁

同步容器

Collections中有一些方法，可以返回线程安全的同步容器

public static <T> Collection<T> synchronizedCollection(Collection<T> c);
public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list);
public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m)

它们是给所有容器方法都加上synchronized来实现安全的。

这里的线程安全针对的是容器对象，指的是当多个线程并发访问同一个容器对象时，不需要额外的同步操作。

加了synchronized，所有方法调用变成了原子操作。是不是就绝对安全了呢？ 不是的，至少需要考虑以下情况

复合操作

先了解一下什么是复合操作

public class EnhancedMap<K,V> {
    Map<K,V> map;
    public EnhancedMap(Map<K,V> map) {
        this.map = Collections.synchronizedMap(map);
    }
    public V putIfAbsent(K key, V value) {
        V old = map.get(key);
        if(old != null) {
            return old;
        }
        return map.put(key, value);
    }   
}

EnhancedMap是一个装饰类，将Map对象转换成同步容器对象，增加了一个putIfAbsent方法，该方法只有在原Map中没有对应键的时候才添加value。
map的每个方法都是安全的，但是这个复活方法putIfAbsent是安全的吗？ 答案是否定的。 这是一个检查然后再更新的复合操作，在多线程的情况下，可能多个线程都执行完了检查这一步，都发现Map中没有对应的键，然后就会调用put，这就破坏了安全性了。

伪同步

如果给上面的putIfAbsent方法加上synchronized就安全了吗？答案是不一定的

public synchronized V putIfAbsent(K key, V value) {
    V old = map.get(key);
    if(old != null) {
        return old;
    }
    return map.put(key, value);
}   

像上面这种写法，就还是无法同步的，因为同步的对象错误了。putIfAbsent同步使用的是EnhancedMap对象，而put使用的是map对象。这样如果一个线程调用put，一个调用putIfAbsent，那么依然不是安全的。

public V putIfAbsent(K key, V value) {
    synchronized (map) {
        V old = map.get(key);
        if(old != null) {
            return old;
        }
        return map.put(key, value);
    }
}   

迭代

对于同步容器对象，虽然单个操作是安全的，但迭代并不是。

private static void startModifyThread(List<String> list) {
    Thread modifyThread = new Thread() {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                list.add(i + "");
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    };
    modifyThread.start();
}
private static void startIteratorThread(List<String> list) {
    Thread iteratorThread = new Thread(){
        @Override
        public void run() {
            while(true) {
                for(String str: list) {
                    System.out.println(str);
                }
            }
        }
    };
    iteratorThread.start();
}

public static void main(String[] args) {
    List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<String>());
    startModifyThread(list);
    startIteratorThread(list);
}

使用强化for循环迭代的时候，是不允许进行结构性变化的。同步容器并没有解决这个问题，如果要这么做，需要在遍历的时候给整个容器对象加锁

Thread iteratorThread = new Thread(){
    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            synchronized(list) {
                for(String str: list) {
                    System.out.println(str);
                }
            }           
        }
    }
};

并发容器

同步容器性能是比较低的，所以可以使用专门的并发容器类
- CopyOnWriteArrayList
- ConcurrentHashMap
- ConcurrentLinkedQueue
- ConcurrentSkipListSet