java synchronized加锁和释放流程详解
作者:程序黑板报
为什么需要加锁
在多线程环境中,多个线程同时运行同一个方法时,如果其中有对某一个资源就行修改处理时,可能会存在先后操作的问题,使得逻辑不一致,程序运行的结果不时我们想要的。
线程如何加锁
这里只讲synchronized进行加锁,并且只进行使用原理的阐述,其他加锁方式使用另外的篇幅。
加锁是为了避免多个线程同时进行逻辑处理时,可能会有数据不一致等情况从而影响程序的逻辑的准确性。 所以我们可以使用一个对象,给该对象设置一个锁状态标记,其他线程要进行逻辑处理时需要把该状态设置成功才能正常进行,不然就阻塞挂起。 这里问题来了,如果是我们直接在代码中添加一个状态标志,那么多线程的情况下设置这个状态下可能还是会有同时处理的情况。
这里我们可以依赖java提供的synchronized关键字。
java内存布局和监视器锁
刚刚我们提到,可以给对象设置一个锁状态标记,其实vjm已经帮我们实现了,我们平常写的java对象经过编译字节码后,是会在内存中添加一个额外的信息的,这里就涉及到另一个概念,java对象的内存布局或者说java对象的数据结构。
当我们通过new关键字来新建一个对象时,jvm会在堆内存中开辟一块内存存储该对象实例,对象实例除了拥有我们自己定义的一些属性方法等,还会拥有额外的其他的信息。
分为三块:
- 对象头
对象头中会存储有hashcode,GC信息,锁标记等等。
- 实例数据
实例数据就是我们自定义的各个字段和方法信息。
- 填充对齐
简单理解为虚拟机中存储一个对象约定对象大小为8字节的整数倍,所以如果不够的话会额外占用一点空间凑数。
好了,简单说到这里就ok了,这里可以看到对象在实际运行过程中拥有锁标记的,这里称为监视器锁,实际上对象头的锁信息会更多,这里只是简单概括一下。在程序中通过synchronize关键字进行加锁的话,jvm会帮助我们标记该对象是由那个线程占有了,并且保证其他线程不会再拥有,只有当线程释放了改对象的锁后才可以重新进行锁竞争。
同时synchorize关键词能保证操作的对象是直接从内存中获取的(内存可见性)。
使用方式如下:
public class ThreadTest { public static void main(String[] args) { Task task = new Task(); for (int i = 0; i< 50; i++) { new Thread(task).run(); } System.out.println(task.getCount()); } } class Task implements Runnable{ private int count; private Object lock = new Object(); public int getCount() { return count; } public void setCount(int count) { this.count = count; } @Override public void run() { int total = 0; while (++total <= 10000) { synchronized (lock) { count++; } } } }
synchronized究竟锁了谁
synchronized关键字的语法规则是定义在代码块中或者在定义方法时。
刚刚我们提到,java对象头中有锁标记,所以下面的逻辑就是对lock这个对象进行锁竞争
while (++total <= 10000) { synchronized (lock) { count++; } }
而如果我们synchronized是在方法中定义的话,则是对当前类的实例进行锁竞争,这里就是C1的实例对象,也即是C1 c1 = new C1()中的c1;而如果程序中还有C1 c11 = new C1()的定义,那么是分开竞争的。也即是同一个对象才进行锁竞争。
class C1{ private int count; public synchronized void run() { int total = 0; while (++total <= 10000) { count++; } } }
如果对象的方法是static的,那么进行锁竞争的是类对象,这个是jvm进行class字节码加载时生成的。
class C1{ private int count; public static synchronized void run() { int total = 0; while (++total <= 10000) { count++; } } }
至此,我们可以把监视器锁和synchronized关键字梳理了一遍。以上的重点信息是:java对象内存布局和监视器锁以及synchronized关键字的处理逻辑。如果需要深入可以对各个点进行往下研究。
线程的等待和唤醒
wait()方法
- 首先我们需要了解wait()方法的继承体系,他是在Object对象的基类方法,也就是说所有的对象都拥有wait()方法。一个线程调用了java的wait()方法后,当前线程会被阻塞挂起,这里的调用指的是线程里面调用了加锁对象的wait()方法。
- 线程被阻塞挂起后是需要唤醒的,下面会讲到唤醒方法,但是也可以调用重载方法wait(long timeout),让线程被阻塞后超过一定时间还没被唤醒而自动唤醒。
notify()方法
- notify()方法也是继承于Object对象。当某个线程调用了加锁对象的notify方法后,会唤醒之前在该对象进行获取监视器锁时失败而被阻塞的线程,如果有多个线程同时被阻塞,notify()方法只会有一个线程被唤醒,如果需要唤醒全部,则可以调用notifyAll()方法。
所以面试中会被问到wait和notify的作用,可以侧重的知识点是:
- 1.调用wait之前一定是获取到锁的,所以要保证在synchronized块中。
- 2.调用wait后会释放该对象的锁。
- 3.调用notify()方法也要是获取锁, 也要保证在synchronized块中。
- 4.调用notify()方法唤醒一个线程,调用notifyAll()方法唤醒全部被阻塞线程。
- 5.调用notify()或者notifyAll()方法只是唤醒了其他被阻塞的线程,他们有了重新竞争锁的条件,但是当前线程还没有释放锁的,只有调用了wait()方法才会释放锁。
用一个生产者消费者模型来看看wait和notify的用法。生产者消费者模型可以简单理解为有一个容器,当里面没有数据时生产者会往里面添加数据,满了则暂停当前的工作等待消费者消费数据后通知他继续添加。
消费者会往里面拿数据,没有了数据则暂停工作等待生产者生产了数据并通知他继续消费。
public static void main(String[] args) { Object lock = new Object(); AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0); Queue<Integer> queue = new LinkedList<>(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { synchronized (lock) { while (true) { //如果队列没有数据,调用wait()方法,阻塞自己 if (queue.isEmpty()) { try { System.out.println("消费者线程阻塞"); lock.wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } //如果队列不为空,消费数据;如果线程被生产者通过notifyAll()方法唤醒后,线程重新获取到锁时是从这里执行的 System.out.println("消费者线程消费数据: " + queue.poll()); //消费者消费后,唤醒可能由于之前队列满了而主动阻塞自己的生产者 lock.notifyAll(); } } } }).start(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { synchronized (lock) { while (true) { //如果队列数据满了,调用wait()方法,阻塞自己 if (queue.size() > 10) { System.out.println("生产者线程阻塞"); try { lock.wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } //如果队列没有满,生产数据; 如果被其他线程唤醒,在下次获取到锁的时候生产数据 System.out.println("生产者线程生产数据"); queue.add(counter.incrementAndGet()); //队列有数据了,唤醒之前可能没有数据而主动祖寺啊自己的消费者 lock.notifyAll(); } } } }).start(); }
总结
以上为个人经验,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持脚本之家。