java线程技术5_synchronized

1.概述
      从《java线程技术4_Volatile 》知道，Volatile只能解决多线程情况下共享变量的一致性问题，而解决不了共享数据操作的原子性问题。如下例

/**
 * 共享变量的并发错误问题.
 * @version V1.0 ,2011-4-4
 * @author xiahui
 */
public class DutyDataThread extends Thread
{
    public static int n = 0;

    public void run()
    {
        int m = n;
        yield();
        m++;
        n = m;
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception
    {
        DutyDataThread myThread = new DutyDataThread ();
        Thread threads[] = new Thread[100];
        for (int i = 0; i < threads.length; i++)
            threads[i] = new Thread(myThread);
        for (int i = 0; i < threads.length; i++)
            threads[i].start();
        for (int i = 0; i < threads.length; i++)
            threads[i].join();
        System.out.println("n = " + DutyDataThread.n);
    }
}

      这个程序启动了100个线程，然后每个线程将静态变量n加1.最后使用join方法使这100个线程都运行完后，再输出这个n值。按正常来讲，结果应该是n = 100.可偏偏结果小于100。由于run()并不是原子操作，存在脏数据问题，因此小于100。
       即使将public static int n = 0;   改成   public  volanote static int n = 0;结果依然是小于100。

      synchronized关键字可以保证一个对象实例的一个代码段只被一个线程调用。synchronized可以作为函数的修饰符，也可作为函数内的语句，也就是平时说的同步方法和同步语句块。如果再细的分类，synchronized可作用于instance变量、object reference（对象引用）、static函数和class literals(类名称字面常量)身上。

      无论synchronized关键字加在方法上还是对象上，它取得的锁都是对象，而不是把一段代码或函数当作锁。比如多个线程调用对象P1的同步方法，它们之间会形成互斥。但是对对象P2而言，P1这个锁与它毫不相干，程序也可能在这种情形下摆脱同步机制的控制，造成数据混乱。
     实现同步是要很大的系统开销作为代价的，甚至可能造成死锁，所以尽量避免无谓的同步控制。
     
2.synchronized与函数
格式：
      public synchronized void run(){ ... }

例如，将上面的代码改成如下

public  synchronized void run()
    {
        int m = n;
        yield();
        m++;
        n = m;
    }

则运行结果必为100。
      本程序只实例化一个对象实例myThread，创建了100个线程，调用myThread中的run()，由于加上了synchronized，run()同时只能被一个线程调用，并当前的run执行完后，才能被其他的线程调用。即使当前线程执行到了run方法中的yield方法，也只是暂停了一下。由于其他线程无法执行run方法，因此，最终还是会由当前的线程来继续执行。

注意：如果将代码改为如下

        //DutyDataThread myThread = new DutyDataThread ();
        Thread threads[] = new Thread[100];
        for (int i = 0; i < threads.length; i++)
            threads[i] = new Thread(new DutyDataThread ());

意味着创建了100个线程，每个线程实例化一个对象，这时synchronized就没有任何同步作用。其结果必小于100。

3.synchronized与静态方法
       对于静态方法来说，只要加上了synchronized关键字，这个方法就是同步的，无论是使用对象.method（），还是使用类.method（）来调用method方法，method都是同步的，并不存在非静态方法的多个实例的问题。


4.synchronized和instance变量
      在23种设计模式中的单件（Singleton）模式如果按传统的方法设计，也是线程不安全的，下面的代码是一个线程不安全的单件模式。代码如下

/**
 * 单例类.
 * @version V1.0 ,2011-4-4
 * @author xiahui
 */
public class Singleton {
    private static Singleton sample;

    private Singleton(){
    }
    public static Singleton getInstance(){
        if (sample == null){
            Thread.yield(); // 为了放大Singleton模式的线程不安全性
            sample = new Singleton();
        }
        return sample;
    }
}

测试是否只创建了一个对象

/**
 * 单例线程类.
 * @version V1.0 ,2011-4-4
 * @author xiahui
 */
public class SingletonThread extends Thread
{
    public void run(){
        Singleton singleton = Singleton.getInstance();
        System.out.println(singleton.hashCode());
    }
    public static void main(String[] args)
    {
        Thread threads[] = new Thread[5];
        for (int i = 0; i < threads.length; i++)
            threads[i] = new SingletonThread();
        for (int i = 0; i < threads.length; i++)
            threads[i].start();
    }
}

程序运行结果如下

27744459
24355087
27744459
6927154
28737396

      运行结果可能在不同的运行环境上有所有同，但一般这五行输出不会完全相同。从这个输出结果可以看出，通过getInstance方法得到的对象实例是五个，而不是我们期望的一个。这是因为当一个线程执行了Thread.yield（）后，就将CPU资源交给了另外一个线程。由于在线程之间切换时并未执行到创建Singleton对象实例的语句，因此，这几个线程都通过了if判断，所以，就会产生了建立五个对象实例的情况。

解决方法1：为getInstance加上synchronized关键字
      public static synchronized Singleton getInstance() {   }

解决方法2：在定义Singleton变量时就建立Singleton对象
      private static final Singleton sample = new Singleton();


5.注意事项
5.1synchronized不能继承
      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。

public class Child extends Parent
{
    public  synchronized  void method() { super.method();   }//二者任选其一
}

5.2 在定义接口方法时不能使用synchronized关键字

5.3 构造方法不能使用synchronized关键字

5.4 synchronized可以自由放置
正确代码

public synchronized void method();
synchronized public void method();
public static synchronized void method();
public synchronized static void method();
synchronized public static void method();

synchronized不能放在方法返回类型的后面，如下面的代码是错误的：

public void synchronized method();
public static void synchronized method();

synchronized关键字只能用来同步方法，不能用来同步类变量，如下面的代码也是错误的：

public synchronized int n = 0;
public static synchronized int n = 0;

5.5使用synchronized对整个对象的方法调用都有影响
      synchronized锁定的是一个类。
      如果在非静态方法method1和method2定义时都使用了synchronized，在 method1未执行完之前，method2是不能执行的。
      静态方法和非静态方法的情况类似。但静态和非静态方法不会互相影响。

/**
 * 当一个非静态函数，其它非静态函数无法执行.
 * 当一个静态函数，其它静态函数无法执行.
 * @version V1.0 ,2011-4-4
 * @author xiahui
 */
public class synchronizedThread extends Thread {
    public String methodName;

    public static void method(String s) {
        System.out.println(s);
        while (true)// 死循环
            ;
    }
    public synchronized void method1() {
        method("非静态的method1方法");
    }
    public synchronized void method2() {
        method("非静态的method2方法");
    }
    public static synchronized void method3() {
        method("静态的method3方法");
    }
    public static synchronized void method4() {
        method("静态的method4方法");
    }
    public void run() {
        try {
            getClass().getMethod(methodName).invoke(this);
        } catch (Exception e) {
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        synchronizedThread myThread1 = new synchronizedThread();
        for (int i = 1; i <= 4; i++) {
            myThread1.methodName = "method" + String.valueOf(i);
            new Thread(myThread1).start();
            sleep(100);
        }
    }
}

运行结果如下：

非静态的method1方法
静态的method3方法

非静态方法method1运行时，method2不能运行
静态方法method3运行时，method4不能运行

6.synchronized与代码块
6.1synchronized与非静态函数代码块

public class SyncBlock {
    public void method1()
    {
       synchronized(this)  // 相当于对method1方法使用synchronized关键字
       {
            … …
        }
    }

   public void method2()
   {
        synchronized(this)  // 相当于对method2方法使用synchronized关键字
       {
           … …
        }
   }
   public synchronized void method3()
   {

   }
}

使用同一个SyncBlock类实例时，这三个方法只要有一个正在执行，其他两个方法就会因未获得同步锁而被阻塞。

6.2synchronized与内部类非静态函数代码块
      在内类（InnerClass）的方法中使用synchronized块来时，this只表示内类，和外类（OuterClass）没有关系。但内类的非静态方法可以和外类的非静态方法同步。

public class SyncBlock
{
    … …
    class InnerClass
    {
        public void method4()
        {
            synchronized(SyncBlock.this)
            {
                … …
            }
        }
    }
    … …
}

InnerClass类的method4方法和SyncBlock类的其他三个方法同步，因此，method1、method2、method3和method4四个方法在同一时间只能有一个方法执行。

6.3synchronized与静态函数代码块
     在调用静态方法时，对象实例不一定被创建。因此，就不能使用this来同步静态方法，而必须使用Class对象来同步静态方法。

public class StaticSyncBlock{
       public static void method1(){
           synchronized(StaticSyncBlock.class)  {
               … …
           }
       }
       public static synchronized void method2()  {
           … …
       }
}

method1和method2方法同时只能有一个方法执行。除了使用class字段得到Class对象外，还可以使用实例的getClass方法来得到Class对象。

public class StaticSyncBlock{
    public static StaticSyncBlock instance;
    public StaticSyncBlock(){
        instance = this;
    }
    public static void method1(){
       synchronized(instance.getClass()){

       }
    }
}

      我们可以通过Class对象使不同类的静态方法同步，如Test类的静态方法method和StaticSyncBlock类的两个静态方法同步。

public class Test
{
       public static void method(){
           synchronized(StaticSyncBlock.class){
           }
       }
}

Test类的method方法和StaticSyncBlock类的method1、method2方法同步。

注意：
        在使用synchronized块同步类方法时，非静态方法可以使用this来同步，而静态方法必须使用Class对象来同步。它们互不影响。当 然，也可以在非静态方法中使用Class对象来同步静态方法。但在静态方法中不能使用this来同步非静态方法。这一点在使用synchronized块 同步类方法时应注意。


参考文献
1.多线程指南.
2.使用Synchronized关键字同步类方法.
3.使用Synchronized块同步方法.