编程思想之多线程与多进程(1)——以操作系统的角度述说线程与进程》一文详细讲述了线程、进程的关系及在操作系统中的表现,这是多线程学习必须了解的基础。本文将接着讲一下Java线程同步中的一个重要的概念synchronized.

synchronized是Java中的关键字,是一种同步锁。它修饰的对象有以下几种: 
1. 修饰一个代码块,被修饰的代码块称为同步语句块,其作用的范围是大括号{}括起来的代码,作用的对象是调用这个代码块的对象; 
2. 修饰一个方法,被修饰的方法称为同步方法,其作用的范围是整个方法,作用的对象是调用这个方法的对象; 
3. 修改一个静态的方法,其作用的范围是整个静态方法,作用的对象是这个类的所有对象; 
4. 修改一个类,其作用的范围是synchronized后面括号括起来的部分,作用主的对象是这个类的所有对象。


修饰一个代码块

  1. 一个线程访问一个对象中的synchronized(this)同步代码块时,其他试图访问该对象的线程将被阻塞。我们看下面一个例子:

【Demo1】:synchronized的用法

 /**
* 同步线程
*/
class SyncThread implements Runnable {
private static int count; public SyncThread() {
count = 0;
} public void run() {
synchronized(this) {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
} public int getCount() {
return count;
}
}

SyncThread的调用:

 SyncThread syncThread = new SyncThread();
Thread thread1 = new Thread(syncThread, "SyncThread1");
Thread thread2 = new Thread(syncThread, "SyncThread2");
thread1.start();
thread2.start();

结果如下:

SyncThread1:0 
SyncThread1:1 
SyncThread1:2 
SyncThread1:3 
SyncThread1:4 
SyncThread2:5 
SyncThread2:6 
SyncThread2:7 
SyncThread2:8 
SyncThread2:9*

  当两个并发线程(thread1和thread2)访问同一个对象(syncThread)中的synchronized代码块时,在同一时刻只能有一个线程得到执行,另一个线程受阻塞,必须等待当前线程执行完这个代码块以后才能执行该代码块。Thread1和thread2是互斥的,因为在执行synchronized代码块时会锁定当前的对象,只有执行完该代码块才能释放该对象锁,下一个线程才能执行并锁定该对象。 
我们再把SyncThread的调用稍微改一下:

 Thread thread1 = new Thread(new SyncThread(), "SyncThread1");    //两个不同的对象
Thread thread2 = new Thread(new SyncThread(), "SyncThread2");    //两个不同的对象
 thread1.start();  thread2.start();

结果如下:

SyncThread1:0 
SyncThread2:1 
SyncThread1:2 
SyncThread2:3 
SyncThread1:4 
SyncThread2:5 
SyncThread2:6 
SyncThread1:7 
SyncThread1:8 
SyncThread2:9

  不是说一个线程执行synchronized代码块时其它的线程受阻塞吗?为什么上面的例子中thread1和thread2同时在执行。这是因为synchronized只锁定对象,每个对象只有一个锁(lock)与之相关联,而上面的代码等同于下面这段代码:

 SyncThread syncThread1 = new SyncThread();
SyncThread syncThread2 = new SyncThread();
Thread thread1 = new Thread(syncThread1, "SyncThread1");
Thread thread2 = new Thread(syncThread2, "SyncThread2");
thread1.start();
thread2.start();

  这时创建了两个SyncThread的对象syncThread1和syncThread2,线程thread1执行的是syncThread1对象中的synchronized代码(run),而线程thread2执行的是syncThread2对象中的synchronized代码(run);我们知道synchronized锁定的是对象,这时会有两把锁分别锁定syncThread1对象和syncThread2对象,而这两把锁是互不干扰的,不形成互斥,所以两个线程可以同时执行。


2.当一个线程访问对象的一个synchronized(this)同步代码块时,另一个线程仍然可以访问该对象中的非synchronized(this)同步代码块。 注意是非同步代码块,不能访问其它同步块,针对能否同时访问两个同步块,答案是否定的,下面会有更详细的就是。
【Demo2】:多个线程访问synchronized和非synchronized代码块

 class Counter implements Runnable{
private int count; public Counter() {
count = 0;
} public void countAdd() {
synchronized(this) {
for (int i = 0; i < 5; i ++) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
} //非synchronized代码块,未对count进行读写操作,所以可以不用synchronized
public void printCount() {
for (int i = 0; i < 5; i ++) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " count:" + count);
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
} public void run() {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
if (threadName.equals("A")) {                    //不同的线程对象操作不同的代码块
countAdd();
} else if (threadName.equals("B")) {
printCount();
}
}
}

调用代码:

 Counter counter = new Counter();
Thread thread1 = new Thread(counter, "A");
Thread thread2 = new Thread(counter, "B");
thread1.start();
thread2.start();

结果如下:

A:0 
B count:1 
A:1 
B count:2 
A:2 
B count:3 
A:3 
B count:4 
A:4 
B count:5

上面代码中countAdd是一个synchronized的,printCount是非synchronized的。从上面的结果中可以看出一个线程访问一个对象的synchronized代码块时,别的线程可以访问该对象的非synchronized代码块而不受阻塞。


  1. 指定要给某个对象加锁

【Demo3】:指定要给某个对象加锁

 /**
* 银行账户类
*/
class Account {
String name;
float amount; public Account(String name, float amount) {
this.name = name;
this.amount = amount;
}
//存钱
public void deposit(float amt) {
amount += amt;
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//取钱
public void withdraw(float amt) {
amount -= amt;
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
} public float getBalance() {
return amount;
}
} /**
* 账户操作类
*/
class AccountOperator implements Runnable{
private Account account;
public AccountOperator(Account account) {
this.account = account;
} public void run() {
synchronized (account) {
account.deposit(500);
account.withdraw(500);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + account.getBalance());
}
}
}

调用代码:

 Account account = new Account("zhang san", 10000.0f);          //创建加锁对象“account”
AccountOperator accountOperator = new AccountOperator(account);    //接口对象继承于“Runnable” final int THREAD_NUM = 5;
Thread threads[] = new Thread[THREAD_NUM];
for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i ++) {
threads[i] = new Thread(accountOperator, "Thread" + i);      //创建线程
threads[i].start();
}

结果如下:

Thread3:10000.0 
Thread2:10000.0 
Thread1:10000.0 
Thread4:10000.0 
Thread0:10000.0

在AccountOperator 类中的run方法里,我们用synchronized 给account对象加了锁。这时,当一个线程访问account对象时,其他试图访问account对象的线程将会阻塞,直到该线程访问account对象结束。也就是说谁拿到那个锁谁就可以运行它所控制的那段代码。 
当有一个明确的对象作为锁时,就可以用类似下面这样的方式写程序。

 public void method3(SomeObject obj)
{
//obj 锁定的对象
synchronized(obj)
{
// todo
}
}

当没有明确的对象作为锁,只是想让一段代码同步时,可以创建一个特殊的对象来充当锁:

 class Test implements Runnable
{
private byte[] lock = new byte[0]; // 特殊的instance变量
public void method()
{
synchronized(lock) {
// todo 同步代码块
}
} public void run() { }
}

说明:零长度的byte数组对象创建起来将比任何对象都经济――查看编译后的字节码:生成零长度的byte[]对象只需3条操作码,而Object lock = new Object()则需要7行操作码。

修饰一个方法

Synchronized修饰一个方法很简单,就是在方法的前面加synchronized,public synchronized void method(){//todo}; synchronized修饰方法和修饰一个代码块类似,只是作用范围不一样,修饰代码块是大括号括起来的范围,而修饰方法范围是整个函数。如将【Demo1】中的run方法改成如下的方式,实现的效果一样。

*【Demo4】:synchronized修饰一个方法

 public synchronized void run() {
for (int i = 0; i < 5; i ++) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

Synchronized作用于整个方法的写法。 
写法一:

 public synchronized void method()
{
// todo
}

写法二:

 public void method()
{
synchronized(this) {
// todo
}
}

写法一修饰的是一个方法,写法二修饰的是一个代码块,但写法一与写法二是等价的,都是锁定了整个方法时的内容。

在用synchronized修饰方法时要注意以下几点: 
1. synchronized关键字不能继承。 
  虽然可以使用synchronized来定义方法,但synchronized并不属于方法定义的一部分,因此,synchronized关键字不能被继承。如果在父类中的某个方法使用了synchronized关键字,而在子类中覆盖了这个方法,在子类中的这个方法默认情况下并不是同步的,而必须显式地在子类的这个方法中加上synchronized关键字才可以。当然,还可以在子类方法中调用父类中相应的方法,这样虽然子类中的方法不是同步的,但子类调用了父类的同步方法,因此,子类的方法也就相当于同步了。这两种方式的例子代码如下: 
在子类方法中加上synchronized关键字

 class Parent {
public synchronized void method() { }
}
class Child extends Parent {
public synchronized void method() { }
}

在子类方法中调用父类的同步方法

 class Parent {
public synchronized void method() { }
}
class Child extends Parent {
public void method() { super.method(); }
}
  1. 在定义接口方法时不能使用synchronized关键字。
  2. 构造方法不能使用synchronized关键字,但可以使用synchronized代码块来进行同步。 


修饰一个静态的方法

Synchronized也可修饰一个静态方法,用法如下:

 public synchronized static void method() {
// todo
}

我们知道静态方法是属于类的而不属于对象的。同样的,synchronized修饰的静态方法锁定的是这个类的所有对象。我们对Demo1进行一些修改如下:

【Demo5】:synchronized修饰静态方法

 /**
* 同步线程
*/
class SyncThread implements Runnable {
private static int count; public SyncThread() {
count = 0;
} public synchronized static void method() {
for (int i = 0; i < 5; i ++) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
} public synchronized void run() {
method();
}
}

调用代码:

 SyncThread syncThread1 = new SyncThread();
SyncThread syncThread2 = new SyncThread();
Thread thread1 = new Thread(syncThread1, "SyncThread1");
Thread thread2 = new Thread(syncThread2, "SyncThread2");
thread1.start();
thread2.start();

结果如下:

SyncThread1:0 
SyncThread1:1 
SyncThread1:2 
SyncThread1:3 
SyncThread1:4 
SyncThread2:5 
SyncThread2:6 
SyncThread2:7 
SyncThread2:8 
SyncThread2:9

syncThread1和syncThread2是SyncThread的两个对象,但在thread1和thread2并发执行时却保持了线程同步。这是因为run中调用了静态方法method,而静态方法是属于类的,所以syncThread1和syncThread2相当于用了同一把锁。这与Demo1是不同的。



修饰一个类

Synchronized还可作用于一个类,用法如下:

 class ClassName {
public void method() {
synchronized(ClassName.class) {
// todo
}
}
}

我们把Demo5再作一些修改。 
【Demo6】:修饰一个类

 /**
* 同步线程
*/
class SyncThread implements Runnable {
private static int count; public SyncThread() {
count = 0;
} public static void method() {
synchronized(SyncThread.class) {
for (int i = 0; i < 5; i ++) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
} public synchronized void run() {
method();
}
}

其效果和【Demo5】是一样的,synchronized作用于一个类T时,是给这个类T加锁,T的所有对象用的是同一把锁。

【Demo7】:同一个对象的多个方法加锁

  可以看到“QueueBuffer ”对象的get/put方法都加锁,另外两个线程同时访问get/put方法,我们看到一个方法在被锁定期间,另一个锁方法是不能被访问的。也就是说这期间是这个方法的对象被锁定了,只有某一个线程放开对象资源,其它线程才可以重新获得对象,继而获取对象方法锁。

import java.util.concurrent.*;
import static net.mindview.util.Print.*; class QueueBuffer {
int n;
boolean valueSet = false; synchronized int get() {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (n++));
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
return n;
} synchronized void put() {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (n++));
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
} class Producer implements Runnable { private QueueBuffer q; Producer(QueueBuffer q) {
this.q = q;
} public void run() {
while (!Thread.interrupted()) {
q.put();              //q对象的put方法锁
} } } class Consumer implements Runnable { private QueueBuffer q; Consumer(QueueBuffer q) {
this.q = q;
} public void run() {
while (true) {
q.get();              //q对象的get方法锁
}
}
} public class wait_test { public static void main(String[] args) throws Exception {
QueueBuffer q = new QueueBuffer(); // 先产生一个锁对象
ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
exec.execute(new Producer(q));
exec.execute(new Consumer(q));
TimeUnit.SECONDS.sleep(2); // Run for a while...
exec.shutdownNow(); // Interrupt all tasks
System.out.println("Press Control-C to stop.");
}
}

输出如下:

pool-1-thread-1:0
pool-1-thread-1:1
pool-1-thread-1:2
pool-1-thread-1:3
pool-1-thread-1:4
pool-1-thread-2:5
pool-1-thread-2:6
pool-1-thread-2:7
pool-1-thread-2:8
pool-1-thread-2:9
pool-1-thread-2:10

如果没有synchronized修饰,输出如下:

pool-1-thread-1:0
pool-1-thread-2:1
pool-1-thread-1:2
pool-1-thread-2:3
pool-1-thread-1:4
pool-1-thread-2:5
pool-1-thread-1:6
pool-1-thread-2:7
pool-1-thread-1:8
pool-1-thread-2:9
pool-1-thread-1:10

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