Java多线程同步机制
一段synchronized的代碼被一個(gè)線程執(zhí)行之前，他要先拿到執(zhí)行這段代碼的權(quán)限，在 java里邊就是拿到某個(gè)同步對(duì)象的鎖（一個(gè)對(duì)象只有一把鎖）；?如果這個(gè)時(shí)候同步對(duì)象的鎖被其他線程拿走了，他（這個(gè)線程）就只能等了（線程阻塞在鎖池 等待隊(duì)列中）。?取到鎖后，他就開始執(zhí)行同步代碼(被synchronized修飾的代碼）；線程執(zhí)行完同步代碼后馬上就把鎖還給同步對(duì)象，其他在鎖池中 等待的某個(gè)線程就可以拿到鎖執(zhí)行同步代碼了。這樣就保證了同步代碼在統(tǒng)一時(shí)刻只有一個(gè)線程在執(zhí)行。
眾所周知，在Java多線程編程中，一個(gè)非常重要的方面就是線程的同步問題。
關(guān)于線程的同步，一般有以下解決方法：
1. 在需要同步的方法的方法簽名中加入synchronized關(guān)鍵字。
2. 使用synchronized塊對(duì)需要進(jìn)行同步的代碼段進(jìn)行同步。
3. 使用JDK 5中提供的java.util.concurrent.lock包中的Lock對(duì)象。
另外，為了解決多個(gè)線程對(duì)同一變量進(jìn)行訪問時(shí)可能發(fā)生的安全性問題，我們不僅可以采用同步機(jī)制，更可以通過JDK 1.2中加入的ThreadLocal來保證更好的并發(fā)性。
本篇中，將詳細(xì)的討論Java多線程同步機(jī)制，并對(duì)ThreadLocal做出探討。
本文大致的目錄結(jié)構(gòu)如下：
一、線程的先來后到——問題的提出：為什么要有多線程同步？Java多線程同步的機(jī)制是什么？
二、給我一把鎖，我能創(chuàng)造一個(gè)規(guī)矩——傳統(tǒng)的多線程同步編程方法有哪些？他們有何異同？
三、Lock來了，大家都讓開—— Java并發(fā)框架中的Lock詳解。
四、你有我有全都有—— ThreadLocal如何解決并發(fā)安全性？
五、總結(jié)——Java線程安全的幾種方法對(duì)比。
一、線程的先來后到
我 們來舉一個(gè)Dirty的例子：某餐廳的衛(wèi)生間很小，幾乎只能容納一個(gè)人如廁。為了保證不受干擾，如廁的人進(jìn)入衛(wèi)生間，就要鎖上房門。我們可以把衛(wèi)生間想 象成是共享的資源，而眾多需要如廁的人可以被視作多個(gè)線程。假如衛(wèi)生間當(dāng)前有人占用，那么其他人必須等待，直到這個(gè)人如廁完畢，打開房門走出來為止。這就 好比多個(gè)線程共享一個(gè)資源的時(shí)候，是一定要分出先來后到的。
有人說：那如果我沒有這道門會(huì)怎樣呢？讓兩個(gè)線程相互競(jìng)爭(zhēng)，誰搶先了，誰就 可以先干活，這樣多好阿？但是我們知道：如果廁所沒有門的話，如廁的人一起涌向 廁所，那么必然會(huì)發(fā)生爭(zhēng)執(zhí)，正常的如廁步驟就會(huì)被打亂，很有可能會(huì)發(fā)生意想不到的結(jié)果，例如某些人可能只好被迫在不正確的地方施肥……
正是因?yàn)橛羞@道門，任何一個(gè)單獨(dú)進(jìn)入如廁的人都可以順利的完成他們的如廁過程，而不會(huì)被干擾，甚至發(fā)生以外的結(jié)果。這就是說，如廁的時(shí)候要講究先來后到。
那 么在Java 多線程程序當(dāng)中，當(dāng)多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)資源的時(shí)候，如何能夠保證他們不會(huì)產(chǎn)生“打架”的情況呢？有人說是使用同步機(jī)制。沒錯(cuò)，像上面這個(gè)例子，就是典型的 同步案例，一旦第一位開始如廁，則第二位必須等待第一位結(jié)束，才能開始他的如廁過程。一個(gè)線程，一旦進(jìn)入某一過程，必須等待正常的返回，并退出這一過程， 下一個(gè)線程才能開始這個(gè)過程。這里，最關(guān)鍵的就是衛(wèi)生間的門。其實(shí)，衛(wèi)生間的門擔(dān)任的是資源鎖的角色，只要如廁的人鎖上門，就相當(dāng)于獲得了這個(gè)鎖，而當(dāng)他 打開鎖出來以后，就相當(dāng)于釋放了這個(gè)鎖。
也就是說，多線程的線程同步機(jī)制實(shí)際上是靠鎖的概念來控制的。那么在Java程序當(dāng)中，鎖是如何體現(xiàn)的呢？
讓我們從JVM的角度來看看鎖這個(gè)概念：
在Java程序運(yùn)行時(shí)環(huán)境中，JVM需要對(duì)兩類線程共享的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)：
1）保存在堆中的實(shí)例變量
2）保存在方法區(qū)中的類變量
這兩類數(shù)據(jù)是被所有線程共享的。
（程序不需要協(xié)調(diào)保存在Java 棧當(dāng)中的數(shù)據(jù)。因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)是屬于擁有該棧的線程所私有的。）
在java虛擬機(jī)中，每個(gè)對(duì)象和類在邏輯上都是和一個(gè)監(jiān)視器相關(guān)聯(lián)的。
對(duì)于對(duì)象來說，相關(guān)聯(lián)的監(jiān)視器保護(hù)對(duì)象的實(shí)例變量。
對(duì)于類來說，監(jiān)視器保護(hù)類的類變量。
（如果一個(gè)對(duì)象沒有實(shí)例變量，或者一個(gè)類沒有變量，相關(guān)聯(lián)的監(jiān)視器就什么也不監(jiān)視。）?
為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)視器的排他性監(jiān)視能力，java虛擬機(jī)為每一個(gè)對(duì)象和類都關(guān)聯(lián)一個(gè)鎖。代表任何時(shí)候只允許一個(gè)線程擁有的特權(quán)。線程訪問實(shí)例變量或者類變量不需鎖。
但是如果線程獲取了鎖，那么在它釋放這個(gè)鎖之前，就沒有其他線程可以獲取同樣數(shù)據(jù)的鎖了。（鎖住一個(gè)對(duì)象就是獲取對(duì)象相關(guān)聯(lián)的監(jiān)視器）
類鎖實(shí)際上用對(duì)象鎖來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)虛擬機(jī)裝載一個(gè)class文件的時(shí)候，它就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class類的實(shí)例。當(dāng)鎖住一個(gè)對(duì)象的時(shí)候，實(shí)際上鎖住的是那個(gè)類的Class對(duì)象。
一個(gè)線程可以多次對(duì)同一個(gè)對(duì)象上鎖。對(duì)于每一個(gè)對(duì)象，java虛擬機(jī)維護(hù)一個(gè)加鎖計(jì)數(shù)器，線程每獲得一次該對(duì)象，計(jì)數(shù)器就加1，每釋放一次，計(jì)數(shù)器就減 1，當(dāng)計(jì)數(shù)器值為0時(shí)，鎖就被完全釋放了。
java編程人員不需要自己動(dòng)手加鎖，對(duì)象鎖是java虛擬機(jī)內(nèi)部使用的。
在java程序中，只需要使用synchronized塊或者synchronized方法就可以標(biāo)志一個(gè)監(jiān)視區(qū)域。當(dāng)每次進(jìn)入一個(gè)監(jiān)視區(qū)域時(shí)，java 虛擬機(jī)都會(huì)自動(dòng)鎖上對(duì)象或者類。
看到這里，我想你們一定都疲勞了吧？o(∩_∩)o...哈哈。讓我們休息一下，但是在這之前，請(qǐng)你們一定要記著：
當(dāng)一個(gè)有限的資源被多個(gè)線程共享的時(shí)候，為了保證對(duì)共享資源的互斥訪問，我們一定要給他們排出一個(gè)先來后到。而要做到這一點(diǎn)，對(duì)象鎖在這里起著非常重要的作用。
在上一篇中，我們講到了多線程是如何處理共享資源的，以及保證他們對(duì)資源進(jìn)行互斥訪問所依賴的重要機(jī)制：對(duì)象鎖。
本篇中，我們來看一看傳統(tǒng)的同步實(shí)現(xiàn)方式以及這背后的原理。
很多人都知道，在Java多線程編程中，有一個(gè)重要的關(guān)鍵字，synchronized。但是很多人看到這個(gè)東西會(huì)感到困惑：“都說同步機(jī)制是通過對(duì)象鎖來實(shí)現(xiàn)的，但是這么一個(gè)關(guān)鍵字，我也看不出來Java程序鎖住了哪個(gè)對(duì)象阿？“
沒錯(cuò)，我一開始也是對(duì)這個(gè)問題感到困惑和不解。不過還好，我們有下面的這個(gè)例程：
Java代碼??
?
??
????? 這個(gè)程序其實(shí)就是讓10個(gè)線程在控制臺(tái)上數(shù)數(shù)，從1數(shù)到9999。理想情況下，我們希望看到一個(gè)線程數(shù)完，然后才是另一個(gè)線程開始數(shù)數(shù)。但是這個(gè)程序的執(zhí)行過程告訴我們，這些線程還是亂糟糟的在那里搶著報(bào)數(shù)，絲毫沒有任何規(guī)矩可言。
???? 但是細(xì)心的讀者注意到：run方法還是加了一個(gè)synchronized關(guān)鍵字的，按道理說，這些線程應(yīng)該可以一個(gè)接一個(gè)的執(zhí)行這個(gè)run方法才對(duì)阿。
???? 但是通過上一篇中，我們提到的，對(duì)于一個(gè)成員方法加synchronized關(guān)鍵字，這實(shí)際上是以這個(gè)成員方法所在的對(duì)象本身作為對(duì)象鎖。在本例中，就是 以ThreadTest類的一個(gè)具體對(duì)象，也就是該線程自身作為對(duì)象鎖的。一共十個(gè)線程，每個(gè)線程持有自己 線程對(duì)象的那個(gè)對(duì)象鎖。這必然不能產(chǎn)生同步的效果。換句話說，如果要對(duì)這些線程進(jìn)行同步，那么這些線程所持有的對(duì)象鎖應(yīng)當(dāng)是共享且唯一的！?
我們來看下面的例程：
?
Java代碼??
?
?
??????? 我們注意到，該程序通過在main方法啟動(dòng)10個(gè)線程之前，創(chuàng)建了一個(gè)String類型的對(duì)象。并通過ThreadTest2的構(gòu)造函數(shù)，將這個(gè)對(duì)象賦值 給每一個(gè)ThreadTest2線程對(duì)象中的私有變量lock。根據(jù)Java方法的傳值特點(diǎn)，我們知道，這些線程的lock變量實(shí)際上指向的是堆內(nèi)存中的 同一個(gè)區(qū)域，即存放main函數(shù)中的lock變量的區(qū)域。
??????? 程序?qū)⒃瓉韗un方法前的synchronized關(guān)鍵字去掉，換用了run方法中的一個(gè)synchronized塊來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)同步塊的對(duì)象鎖，就是 main方法中創(chuàng)建的那個(gè)String對(duì)象。換句話說，他們指向的是同一個(gè)String類型的對(duì)象，對(duì)象鎖是共享且唯一的！
于是，我們看到了預(yù)期的效果：10個(gè)線程不再是爭(zhēng)先恐后的報(bào)數(shù)了，而是一個(gè)接一個(gè)的報(bào)數(shù)。
再來看下面的例程：
?
Java代碼??
?
?
- ??
細(xì)心的讀者發(fā)現(xiàn)了：這段代碼沒有使用main方法中創(chuàng)建的String對(duì)象作為這10個(gè)線程的線程鎖。而是通過在run方法中調(diào)用本線 程中一個(gè)靜態(tài)的同步 方法abc而實(shí)現(xiàn)了線程的同步。我想看到這里，你們應(yīng)該很困惑：這里synchronized靜態(tài)方法是用什么來做對(duì)象鎖的呢？
我們知道，對(duì)于同步靜態(tài)方法，對(duì)象鎖就是該靜態(tài)放發(fā)所在的類的Class實(shí)例，由于在JVM中，所有被加載的類都有唯一的類對(duì)象，具體到本例，就是唯一的 ThreadTest3.class對(duì)象。不管我們創(chuàng)建了該類的多少實(shí)例，但是它的類實(shí)例仍然是一個(gè)！
這樣我們就知道了：
1、對(duì)于同步的方法或者代碼塊來說，必須獲得對(duì)象鎖才能夠進(jìn)入同步方法或者代碼塊進(jìn)行操作；
2、如果采用method級(jí)別的同步，則對(duì)象鎖即為method所在的對(duì)象，如果是靜態(tài)方法，對(duì)象鎖即指method所在的
Class對(duì)象(唯一)；
3、對(duì)于代碼塊，對(duì)象鎖即指synchronized(abc)中的abc；
4、因?yàn)榈谝环N情況，對(duì)象鎖即為每一個(gè)線程對(duì)象，因此有多個(gè)，所以同步失效，第二種共用同一個(gè)對(duì)象鎖lock，因此同步生效，第三個(gè)因?yàn)槭?br /> static因此對(duì)象鎖為ThreadTest3的class 對(duì)象，因此同步生效。
如上述正確，則同步有兩種方式，同步塊和同步方法（為什么沒有wait和notify？這個(gè)我會(huì)在補(bǔ)充章節(jié)中做出闡述）
如果是同步代碼塊，則對(duì)象鎖需要編程人員自己指定，一般有些代碼為synchronized(this)只有在單態(tài)模式才生效；
（本類的實(shí)例有且只有一個(gè)）
如果是同步方法，則分靜態(tài)和非靜態(tài)兩種?。
靜態(tài)方法則一定會(huì)同步，非靜態(tài)方法需在單例模式才生效，推薦用靜態(tài)方法(不用擔(dān)心是否單例)。
所以說，在Java多線程編程中，最常見的synchronized關(guān)鍵字實(shí)際上是依靠對(duì)象鎖的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)線程同步的。
我們似乎可以聽到synchronized在向我們說：“給我一把?鎖，我能創(chuàng)造一個(gè)規(guī)矩”。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的Java多线程同步机制的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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