计算机程序的思维逻辑 (66) - 理解synchronized

上节我们提到了多线程共享内存的两个问题,一个是竞态条件,另一个是内存可见性,我们提到,解决这两个问题的一个方案是使用synchronized关键字,本节就来讨论这个关键字。

用法

synchronized可以用于修饰类的实例方法、静态方法和代码块,我们分别来看下。

实例方法

上节我们介绍了一个计数的例子,当多个线程并发执行counter++的时候,由于该语句不是原子操作,出现了意料之外的结果,这个问题可以用synchronized解决。

我们来看代码:

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类,incr方法和getCount方法都加了synchronized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,我们看使用的代码:

public class CounterThread extends Thread {
    Counter counter;

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

    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep((int) (Math.random() * 10));
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        counter.incr();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int num = 100;
        Counter counter = new Counter();
        Thread[] threads = new Thread[num];
        for (int i = 0; i < num; i++) {
            threads[i] = new CounterThread(counter);
            threads[i].start();
        }
        for (int i = 0; i < num; i++) {
            threads[i].join();
        }
        System.out.println(counter.getCount());
    }
}

上节类似,我们创建了100个线程,传递了相同的counter对象,每个线程主要就是调用Counter的incr方法,main线程等待子线程结束后输出counter的值,这次,不论运行多少次,结果都是正确的100。

这里,synchronized到底做了什么呢?看上去,synchronized使得同时只能有一个线程执行实例方法,但这个理解是不确切的。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,比如说:

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

这里,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,一个是counter1,另一个是counter2。

所以,synchronized实例方法实际保护的是同一个对象的方法调用,确保同时只能有一个线程执行。再具体来说,synchronized实例方法保护的是当前实例对象,即this,this对象有一个锁和一个等待队列,锁只能被一个线程持有,其他试图获得同样锁的线程需要等待,执行synchronized实例方法的过程大概如下:

  1. 尝试获得锁,如果能够获得锁,继续下一步,否则加入等待队列,阻塞并等待唤醒
  2. 执行实例方法体代码
  3. 释放锁,如果等待队列上有等待的线程,从中取一个并唤醒,如果有多个等待的线程,唤醒哪一个是不一定的,不保证公平性

synchronized的实际执行过程比这要复杂的多,而且Java虚拟机采用了多种优化方式以提高性能,但从概念上,我们可以这么简单理解。

当前线程不能获得锁的时候,它会加入等待队列等待,线程的状态会变为BLOCKED。

我们再强调下,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,对同一个Counter对象,一个线程执行getCount,另一个执行incr,它们是不能同时执行的,会被synchronized同步顺序执行。

此外,需要说明的,synchronized方法不能防止非synchronized方法被同时执行,比如,如果给Counter类增加一个非synchronized方法:

public void decr(){
    count --;
}

则该方法可以和synchronized的incr方法同时执行,这通常会出现非期望的结果,所以,一般在保护变量时,需要在所有访问该变量的方法上加上synchronized。

静态方法

synchronized同样可以用于静态方法,比如:

public class StaticCounter {
    private static int count = 0;

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

    public static synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}

前面我们说,synchronized保护的是对象,对实例方法,保护的是当前实例对象this,对静态方法,保护的是哪个对象呢?是类对象,这里是StaticCounter.class,实际上,每个对象都有一个锁和一个等待队列,类对象也不例外。

synchronized静态方法和synchronized实例方法保护的是不同的对象,不同的两个线程,可以同时,一个执行synchronized静态方法,另一个执行synchronized实例方法。

代码块

除了用于修饰方法外,synchronized还可以用于包装代码块,比如对于前面的Counter类,等价的代码可以为:

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,对于实例方法,就是this,{}里面是同步执行的代码。

对于前面的StaticCounter类,等价的代码为:

public class StaticCounter {
    private static int count = 0;

    public static void incr() {
        synchronized(StaticCounter.class){
            count++;    
        }    
    }

    public static int getCount() {
        synchronized(StaticCounter.class){
            return count;    
        }
    }
}

synchronized同步的对象可以是任意对象,任意对象都有一个锁和等待队列,或者说,任何对象都可以作为锁对象。比如说,Counter的等价代码还可以为:

public class Counter {
    private int count;
    private Object lock = new Object();
    
    public void incr(){
        synchronized(lock){
            count ++;    
        }
    }
    
    public int getCount() {
        synchronized(lock){
            return count;
        }
    }
} 

理解synchronized

介绍了synchronized的基本用法和原理,我们再从下面几个角度来进一步理解一下synchronized:

  • 可重入性
  • 内存可见性
  • 死锁

可重入性

synchronized有一个重要的特征,它是可重入的,也就是说,对同一个执行线程,它在获得了锁之后,在调用其他需要同样锁的代码时,可以直接调用,比如说,在一个synchronized实例方法内,可以直接调用其他synchronized实例方法。可重入是一个非常自然的属性,应该是很容易理解的,之所以强调,是因为并不是所有锁都是可重入的(后续章节介绍)。

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

对于复杂一些的操作,synchronized可以实现原子操作,避免出现竞态条件,但对于明显的本来就是原子的操作方法,也需要加synchronized吗?比如说,对于下面的开关类Switcher,它只有一个boolean变量on和对应的setter/getter方法:

public class Switcher {
    private boolean on;

    public boolean isOn() {
        return on;
    }

    public void setOn(boolean on) {
        this.on = on;
    }
}

当多线程同时访问同一个Switcher对象时,会有问题吗?没有竞态条件问题,但正如上节所说,有内存可见性问题,而加上synchronized可以解决这个问题。

synchronized除了保证原子操作外,它还有一个重要的作用,就是保证内存可见性,在释放锁时,所有写入都会写回内存,而获得锁后,都会从内存中读最新数据。

不过,如果只是为了保证内存可见性,使用synchronzied的成本有点高,有一个更轻量级的方式,那就是给变量加修饰符volatile,如下所示:

public class Switcher {
    private volatile boolean on;

    public boolean isOn() {
        return on;
    }

    public void setOn(boolean on) {
        this.on = on;
    }
}

加了volatile之后,Java会在操作对应变量时插入特殊的指令,保证读写到内存最新值,而非缓存的值。

死锁

使用synchronized或者其他锁,要注意死锁,所谓死锁就是类似这种现象,比如, 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,b陷入了互相等待,最后谁都执行不下去。示例代码如下所示:

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) {
                    }
                    synchronized (lockB) {
                    }
                }
            }
        };
        aThread.start();
    }

    private static void startThreadB() {
        Thread bThread = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (lockB) {
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                    synchronized (lockA) {
                    }
                }
            }
        };
        bThread.start();
    }

    public static void main(String[] args) {
        startThreadA();
        startThreadB();
    }
}

运行后aThread和bThread陷入了相互等待。怎么解决呢?首先,应该尽量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,比如,对于上面的例子,可以约定都先申请lockA,再申请lockB。

不过,在复杂的项目代码中,这种约定可能难以做到。还有一种方法是使用后续章节介绍的显式锁接口Lock,它支持尝试获取锁(tryLock)和带时间限制的获取锁方法,使用这些方法可以在获取不到锁的时候释放已经持有的锁,然后再次尝试获取锁或干脆放弃,以避免死锁。

如果还是出现了死锁,怎么办呢?Java不会主动处理,不过,借助一些工具,我们可以发现运行中的死锁,比如,Java自带的jstack命令会报告发现的死锁,对于上面的程序,在我的电脑上,jstack会有如下报告:

同步容器及其注意事项

同步容器

我们在54节介绍过Collection的一些方法,它们可以返回线程安全的同步容器,比如:

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,比如SynchronizedCollection,其部分代码如下所示:

static class SynchronizedCollection<E> implements Collection<E> {
    final Collection<E> c;  // Backing Collection
    final Object mutex;     // Object on which to synchronize

    SynchronizedCollection(Collection<E> c) {
        if (c==null)
            throw new NullPointerException();
        this.c = c;
        mutex = this;
    }
    public int size() {
        synchronized (mutex) {return c.size();}
    }
    public boolean add(E e) {
        synchronized (mutex) {return c.add(e);}
    }
    public boolean remove(Object o) {
        synchronized (mutex) {return c.remove(o);}
    }
    //....
}

这里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,也不会出现错误的结果。

加了synchronized,所有方法调用变成了原子操作,客户端在调用时,是不是就绝对安全了呢?不是的,至少有以下情况需要注意:

  • 复合操作,比如先检查再更新
  • 伪同步
  • 迭代

复合操作

先来看复合操作,我们看段代码:

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;
         }
         map.put(key, value);
         return null;
     }
    
    public void put(K key, V value){
        map.put(key, value);
    }
    
    //... 其他代码
}

EnhancedMap是一个装饰类,接受一个Map对象,调用synchronizedMap转换为了同步容器对象map,增加了一个方法putIfAbsent,该方法只有在原Map中没有对应键的时候才添加。

map的每个方法都是安全的,但这个复合方法putIfAbsent是安全的吗?显然是否定的,这是一个检查然后再更新的复合操作,在多线程的情况下,可能有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,然后就会都调用put,而这就破坏了putIfAbsent方法期望保持的语义。

伪同步

那给该方法加上synchronized就能实现安全吗?如下所示:

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

答案是否定的!为什么呢?同步错对象了。putIfAbsent同步使用的是EnhancedMap对象,而其他方法(如代码中的put方法)使用的是Collections.synchronizedMap返回的对象map,两者是不同的对象。要解决这个问题,所有方法必须使用相同的锁,可以使用EnhancedMap的对象锁,也可以使用map。使用EnhancedMap对象作为锁,则EnhancedMap中的所有方法都需要加上synchronized。使用map作为锁,putIfAbsent方法可以改为:

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

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。我们看个例子,创建一个同步List对象,一个线程修改List,另一个遍历,看看会发生什么,代码为:

private static void startModifyThread(final List<String> list) {
    Thread modifyThread = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                list.add("item " + i);
                try {
                    Thread.sleep((int) (Math.random() * 10));
                } catch (InterruptedException e) {
                }
            }
        }
    });
    modifyThread.start();
}

private static void startIteratorThread(final List<String> list) {
    Thread iteratorThread = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                for (String str : list) {
                }
            }
        }
    });
    iteratorThread.start();
}

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

运行该程序,程序抛出并发修改异常:

Exception in thread "Thread-0" java.util.ConcurrentModificationException
    at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:859)
    at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:831)

我们之前介绍过这个异常,如果在遍历的同时容器发生了结构性变化,就会抛出该异常,同步容器并没有解决这个问题,如果要避免这个异常,需要在遍历的时候给整个容器对象加锁,比如,上面的代码,startIteratorThread可以改为:

private static void startIteratorThread(final List<String> list) {
    Thread iteratorThread = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                synchronized(list){
                    for (String str : list) {
                    }    
                }
            }
        }
    });
    iteratorThread.start();
}

并发容器

除了以上这些注意事项,同步容器的性能也是比较低的,当并发访问量比较大的时候性能很差。所幸的是,Java中还有很多专为并发设计的容器类,比如:

  • CopyOnWriteArrayList
  • ConcurrentHashMap
  • ConcurrentLinkedQueue
  • ConcurrentSkipListSet

这些容器类都是线程安全的,但都没有使用synchronized、没有迭代问题、直接支持一些复合操作、性能也高得多,它们能解决什么问题?怎么使用?实现原理是什么?我们留待后续章节介绍。

小结
本节详细介绍了synchronized的用法和实现原理,为进一步理解synchronized,介绍了可重入性、内存可见性、死锁等,最后,介绍了同步容器及其注意事项如复合操作、伪同步、迭代异常、并发容器等。

多线程之间除了竞争访问同一个资源外,也经常需要相互协作,怎么协作呢?下节介绍协作的基本机制wait/notify。

(与其他章节一样,本节所有代码位于 https://github.com/swiftma/program-logic)

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posted @ 2017-02-16 08:41 老马说编程 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏