java的锁机制

2016-08-15

一段synchronized的代码被一个线程执行之前,他要先拿到执行这段代码的权限,在java里边就是拿到某个同步对象的锁(一个对象只有一把锁); 如果这个时候同步对象的锁被其他线程拿走了,他(这个线程)就只能等了(线程阻塞在锁池等待队列中)。 取到锁后,他就开始执行同步代码(被synchronized修饰的代码);线程执行完同步代码后马上就把锁还给同步对象,其他在锁池中等待的某个线程就可以拿到锁执行同步代码了。这样就保证了同步代码在统一时刻只有一个线程在执行。

众所周知,在Java多线程编程中,一个非常重要的方面就是线程的同步问题。
关于线程的同步,一般有以下解决方法:

1. 在需要同步的方法的方法签名中加入synchronized关键字。

2. 使用synchronized块对需要进行同步的代码段进行同步。

3. 使用JDK 5中提供的java.util.concurrent.lock包中的Lock对象。

另外,为了解决多个线程对同一变量进行访问时可能发生的安全性问题,我们不仅可以采用同步机制,更可以通过JDK 1.2中加入的ThreadLocal来保证更好的并发性。

本篇中,将详细的讨论Java多线程同步机制,并对ThreadLocal做出探讨。

大致的目录结构如下:

一、线程的先来后到——问题的提出:为什么要有多线程同步?Java多线程同步的机制是什么?
二、给我一把锁,我能创造一个规矩——传统的多线程同步编程方法有哪些?他们有何异同?
三、Lock来了,大家都让开—— Java并发框架中的Lock详解。
四、你有我有全都有—— ThreadLocal如何解决并发安全性?
五、总结——Java线程安全的几种方法对比。


一、线程的先来后到

我们来举一个Dirty的例子:某餐厅的卫生间很小,几乎只能容纳一个人如厕。为了保证不受干扰,如厕的人进入卫生间,就要锁上房门。我们可以把卫生间想 象成是共享的资源,而众多需要如厕的人可以被视作多个线程。假如卫生间当前有人占用,那么其他人必须等待,直到这个人如厕完毕,打开房门走出来为止。这就 好比多个线程共享一个资源的时候,是一定要分出先来后到的。

有人说:那如果我没有这道门会怎样呢?让两个线程相互竞争,谁抢先了,谁就可以先干活,这样多好阿?但是我们知道:如果厕所没有门的话,如厕的人一起涌向 厕所,那么必然会发生争执,正常的如厕步骤就会被打乱,很有可能会发生意想不到的结果,例如某些人可能只好被迫在不正确的地方施肥……

正是因为有这道门,任何一个单独进入如厕的人都可以顺利的完成他们的如厕过程,而不会被干扰,甚至发生以外的结果。这就是说,如厕的时候要讲究先来后到。


那么在Java 多线程程序当中,当多个线程竞争同一个资源的时候,如何能够保证他们不会产生“打架”的情况呢?有人说是使用同步机制。没错,像上面这个例子,就是典型的 同步案例,一旦第一位开始如厕,则第二位必须等待第一位结束,才能开始他的如厕过程。一个线程,一旦进入某一过程,必须等待正常的返回,并退出这一过程, 下一个线程才能开始这个过程。这里,最关键的就是卫生间的门。其实,卫生间的门担任的是资源锁的角色,只要如厕的人锁上门,就相当于获得了这个锁,而当他 打开锁出来以后,就相当于释放了这个锁。

也就是说,多线程的线程同步机制实际上是靠锁的概念来控制的。那么在Java程序当中,锁是如何体现的呢?


让我们从JVM的角度来看看锁这个概念:

在Java程序运行时环境中,JVM需要对两类线程共享的数据进行协调:
1)保存在堆中的实例变量
2)保存在方法区中的类变量

这两类数据是被所有线程共享的。
(程序不需要协调保存在Java 栈当中的数据。因为这些数据是属于拥有该栈的线程所私有的。)

在java虚拟机中,每个对象和类在逻辑上都是和一个监视器相关联的。
对于对象来说,相关联的监视器保护对象的实例变量。

对于类来说,监视器保护类的类变量。

(如果一个对象没有实例变量,或者一个类没有变量,相关联的监视器就什么也不监视。)
为了实现监视器的排他性监视能力,java虚拟机为每一个对象和类都关联一个锁。代表任何时候只允许一个线程拥有的特权。线程访问实例变量或者类变量不需锁。

但是如果线程获取了锁,那么在它释放这个锁之前,就没有其他线程可以获取同样数据的锁了。(锁住一个对象就是获取对象相关联的监视器)

类锁实际上用对象锁来实现。当虚拟机装载一个class文件的时候,它就会创建一个java.lang.Class类的实例。当锁住一个对象的时候,实际上锁住的是那个类的Class对象。

一个线程可以多次对同一个对象上锁。对于每一个对象,java虚拟机维护一个加锁计数器,线程每获得一次该对象,计数器就加1,每释放一次,计数器就减 1,当计数器值为0时,锁就被完全释放了。

java编程人员不需要自己动手加锁,对象锁是java虚拟机内部使用的。

在java程序中,只需要使用synchronized块或者synchronized方法就可以标志一个监视区域。当每次进入一个监视区域时,java 虚拟机都会自动锁上对象或者类。

看到这里,我想你们一定都疲劳了吧?o(∩_∩)o...哈哈。让我们休息一下,但是在这之前,请你们一定要记着:
当一个有限的资源被多个线程共享的时候,为了保证对共享资源的互斥访问,我们一定要给他们排出一个先来后到。而要做到这一点,对象锁在这里起着非常重要的作用。

在上一篇中,我们讲到了多线程是如何处理共享资源的,以及保证他们对资源进行互斥访问所依赖的重要机制:对象锁。



本篇中,我们来看一看传统的同步实现方式以及这背后的原理。



很多人都知道,在Java多线程编程中,有一个重要的关键字,synchronized。但是很多人看到这个东西会感到困惑:“都说同步机制是通过对象锁来实现的,但是这么一个关键字,我也看不出来Java程序锁住了哪个对象阿?“


没错,我一开始也是对这个问题感到困惑和不解。不过还好,我们有下面的这个例程:

  1. public class ThreadTest extends Thread {   
  2.     private int threadNo;   
  3.     public ThreadTest(int threadNo) {   
  4.         this.threadNo = threadNo;   
  5.     }   
  6.     public static void main(String[] args) throws Exception {   
  7.         for (int i = 1; i < 10; i++) {   
  8.            new ThreadTest(i).start();   
  9.             Thread.sleep(1);   
  10.         }   
  11.      }   
  12.     
  13.     @Override  
  14.      public synchronized void run() {   
  15.         for (int i = 1; i < 10000; i++) {   
  16.             System.out.println("No." + threadNo + ":" + i);   
  17.         }   
  18.      }   
  19.  }   

      这个程序其实就是让10个线程在控制台上数数,从1数到9999。理想情况下,我们希望看到一个线程数完,然后才是另一个线程开始数数。但是这个程序的执行过程告诉我们,这些线程还是乱糟糟的在那里抢着报数,丝毫没有任何规矩可言。
     但是细心的读者注意到:run方法还是加了一个synchronized关键字的,按道理说,这些线程应该可以一个接一个的执行这个run方法才对阿。
     但是通过上一篇中,我们提到的,对于一个成员方法加synchronized关键字,这实际上是以这个成员方法所在的对象本身作为对象锁。在本例中,就是 以ThreadTest类的一个具体对象,也就是该线程自身作为对象锁的。一共十个线程,每个线程持有自己 线程对象的那个对象锁。这必然不能产生同步的效果。换句话说,如果要对这些线程进行同步,那么这些线程所持有的对象锁应当是共享且唯一的!

我们来看下面的例程:

  1. public class ThreadTest2 extends Thread {   
  2.  private int threadNo; private String lock;   
  3.  public ThreadTest2(int threadNo, String lock) {   
  4.   this.threadNo = threadNo;   
  5.      this.lock = lock;   }   
  6. public static void main(String[] args) throws Exception {   
  7.    String lock = new String("lock");   
  8.      for (int i = 1; i < 10; i++) {     
  9.   new ThreadTest2(i, lock).start();   
  10.       Thread.sleep(1);   
  11.      }   
  12.   }     
  13. public void run() {     
  14.  synchronized (lock) {   
  15.       for (int i = 1; i < 10000; i++) {   
  16.        System.out.println("No." + threadNo + ":" + i);   
  17.     }      
  18.  }     
  19.  }   
  20.  }  

        我们注意到,该程序通过在main方法启动10个线程之前,创建了一个String类型的对象。并通过ThreadTest2的构造函数,将这个对象赋值 给每一个ThreadTest2线程对象中的私有变量lock。根据Java方法的传值特点,我们知道,这些线程的lock变量实际上指向的是堆内存中的 同一个区域,即存放main函数中的lock变量的区域。
        程序将原来run方法前的synchronized关键字去掉,换用了run方法中的一个synchronized块来实现。这个同步块的对象锁,就是 main方法中创建的那个String对象。换句话说,他们指向的是同一个String类型的对象,对象锁是共享且唯一的!

于是,我们看到了预期的效果:10个线程不再是争先恐后的报数了,而是一个接一个的报数。

再来看下面的例程:

1 public class ThreadTest3 extends Thread {   

  •  2    
  •  3     private int threadNo;   
  •  4     private String lock;   
  •  5    
  •  6     public ThreadTest3(int threadNo) {   
  •  7         this.threadNo = threadNo;   
  •  8     }   
  •  9    
  • 10     public static void main(String[] args) throws Exception {   
  • 11        
  • 12         for (int i = 1; i < 20; i++) {   
  • 13             new ThreadTest3(i).start();   
  • 14             Thread.sleep(1);   
  • 15         }   
  • 16     }   
  • 17    
  • 18     public static synchronized void abc(int threadNo) {   
  • 19         for (int i = 1; i < 10000; i++) {   
  • 20               
  • 21                 System.out.println("No." + threadNo + ":" + i);           
  • 22         }   
  • 23     }   
  • 24    
  • 25     public void run() {   
  • 36         abc(threadNo);   
  • 27     }   
  • 28 }  

    细心的读者发现了:这段代码没有使用main方法中创建的String对象作为这10个线程的线程锁。而是通过在run方法中调用本线程中一个静态的同步 方法abc而实现了线程的同步。我想看到这里,你们应该很困惑:这里synchronized静态方法是用什么来做对象锁的呢?



    我们知道,对于同步静态方法,对象锁就是该静态放发所在的类的Class实例,由于在JVM中,所有被加载的类都有唯一的类对象,具体到本例,就是唯一的 ThreadTest3.class对象。不管我们创建了该类的多少实例,但是它的类实例仍然是一个!



    这样我们就知道了:

    1、对于同步的方法或者代码块来说,必须获得对象锁才能够进入同步方法或者代码块进行操作;


    2、如果采用method级别的同步,则对象锁即为method所在的对象,如果是静态方法,对象锁即指method所在的
    Class对象(唯一);


    3、对于代码块,对象锁即指synchronized(abc)中的abc;


    4、因为第一种情况,对象锁即为每一个线程对象,因此有多个,所以同步失效,第二种共用同一个对象锁lock,因此同步生效,第三个因为是
    static因此对象锁为ThreadTest3的class 对象,因此同步生效。

    如上述正确,则同步有两种方式,同步块和同步方法(为什么没有wait和notify?这个我会在补充章节中做出阐述)

    如果是同步代码块,则对象锁需要编程人员自己指定,一般有些代码为synchronized(this)只有在单态模式才生效;
    (本类的实例有且只有一个)

    如果是同步方法,则分静态和非静态两种

    静态方法则一定会同步,非静态方法需在单例模式才生效,推荐用静态方法(不用担心是否单例)。

    所以说,在Java多线程编程中,最常见的synchronized关键字实际上是依靠对象锁的机制来实现线程同步的。
    我们似乎可以听到synchronized在向我们说:“给我一把 锁,我能创造一个规矩”。