这篇文章带你彻底理解synchronized关键字

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这篇文章带你彻底理解synchronized关键字

Synchronized关键字一直是工作和面试中的重点。这篇文章准备彻彻底底的从基础使用到原理缺陷等各个方面来一个分析,这篇文章由于篇幅比较长,但是如果你有时间和耐心,相信会有一个比较大的收获,所以,学习请慢慢来。这篇文章主要从以下几个方面进行分析讲解.

1、Synchronized关键字的简介,主要是为什么要使用Synchronized关键字,极其作用地位。

2、Synchronized关键字的使用,主要是从对象锁和类锁两个角度。

3、Synchronized关键字的使用注意事项。分析了6种常见的使用情况。

4、Synchronized关键字的两个性质,主要是可重入性和不可中断性。

5、Synchronized关键字的底层原理。

6、Synchronized关键字的常见缺陷。

以上我们主要是从这7个角度来分析Synchronized关键字,每一个角度说实话都能单独拿出来作为一篇文章来分析。但是由于考虑到文章的连贯性,所以综合在了一起,循序渐进。下面我们就带着这些问题开始今天的文章。

一、简介

Synchronized一句话来解释其作用就是:能够保证同一时刻最多只有一个线程执行该段代码,以达到并发安全的效果。也就是说Synchronized就好比是一把锁,某个线程把资源锁住了之后,别人就不能使用了,只有当这个线程用完了别人才能用。

对于Synchronized关键字来说,它是并发编程中一个元老级角色,也就是说你只要学习并发编程,就必须要学习Synchronized关键字。由此可见其地位。

说了这么多,好像我们还没体验过它的威力。我们就直接举个例子,来分析一下。

public class SynTest01 implements Runnable{
    static int a=0;
    public static void main(String[] args) 
                throws InterruptedException 
{
        SynTest01 syn= new SynTest01();
        Thread thread1 = new Thread(syn);
        Thread thread2 = new Thread(syn);
        thread1.start();thread1.join();
        thread2.start();thread2.join();
        System.out.println(a);
    }
    @Override
    public void run() {
        for(int i=0;i<1000;i++) {
            a++;
        }
    }
}

上面代码要完成的功能就是,thread1对a进行增加,一直到1000,thread2再对a进行增加,一直到2000。不过如果我们运行过之后我们就会发现,最后的输出值总是小于2000,这是为什么呢?

这是因为我们在执行a++的时候其实包含了以下三个操作:

(1)线程1读取a

(2)线程1将a加1

(3)将a的值写入内存

出错原因的关键就在于第二操作和第三个操作之间,此时线程1还没来得及把a的值写入内存,线程2就把旧值读走了,这也就造成了a加了两次,但是内存中的a的值只增加了1。这也就是不同步现象。

但是如果说我们使用了Synchronized关键字之后呢?

public class SynTest01 implements Runnable{
    static int a=0;
    Object object = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynTest01 syn= new SynTest01();
        Thread thread1 = new Thread(syn);
        Thread thread2 = new Thread(syn);
        thread1.start();thread1.join();
        thread2.start();thread2.join();
        System.out.println(a);
    }
    @Override
    public void run() {
        synchronized (object) {
            for(int i=0;i<1000;i++) {
                a++;
            }
        }//结束
    }
}

现在我们使用synchronized关键字把这一块代码锁住,不管你怎么输出都是2000了,锁住之后,同一时刻只有一个线程进入。也就不会发生上面a写操作不同步的现象了。

现在相信你开始觉得synchronized关键字的确很实用,可以解决多线程中的很多问题。上面这个小例子只是带我们去简单的认识一下,下面我们就来看看其详细的使用。

二、使用

对于synchronized关键字来说,一共可以分为两类:对象锁和类锁。

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我们一个一个来看如何使用。

1、对象锁

对于对象锁来说,又可以分为两个,一个是方法锁,一个是同步代码块锁。

(1)同步代码块锁

同步代码块锁主要是对代码块进行加锁,其实已经演示过了,就是上面的那个案例。不过为了保持一致我们再举一个例子。

public class SynTest01 implements Runnable {
    Object object = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynTest01 syn = new SynTest01();
        Thread thread1 = new Thread(syn);
        Thread thread2 = new Thread(syn);
        thread1.start();
        thread2.start();
        //线程1和线程2只要有一个还存活就一直执行
        while (thread1.isAlive() || thread2.isAlive()) {}
        System.out.println("main程序运行结束");
    }
    @Override
    public void run() {
        synchronized (object) {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                        + "线程执行了run方法");
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                        + "执行2秒钟之后完毕");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

在这个例子中,我们使用了synchronized锁住了run方法中的代码块。表示同一时刻只有一个线程能够进入代码块。就好比是去医院挂号,前面一个人办完了业务,下一个人才开始。

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在这里面我们看到,线程1和线程2使用的是同一个锁,也就是我们new的Object。如果我们让线程1和线程2每一个人拥有一个锁对象呢?
public class SynTest01 implements Runnable {
    Object object1 = new Object();
    Object object2 = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynTest01 syn = new SynTest01();
        Thread thread1 = new Thread(syn);
        Thread thread2 = new Thread(syn);
        thread1.start();
        thread2.start();
        //线程1和线程2只要有一个还存活就一直执行
        while (thread1.isAlive() || thread2.isAlive()) {}
        System.out.println("main程序运行结束");
    }

    @Override
    public void run() {
        synchronized (object1) {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                        + "线程执行了object1");
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                        + "执行object1完毕");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        synchronized (object2) {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                        + "线程执行object2");
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
                        + "执行object2完毕");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

现在线程1和线程2每个人拥有一把锁,去访问不同的方法资源。这时候会出现什么情况呢?

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我们同样用一张图看一下其原理。

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也就是说,相当于两个业务有俩窗口都可以办理,但是两个任务都需要排队办理。

同步代码块锁总结:

同步代码块锁主要是对代码块进行加锁,此时同一时刻只能有一个线程获取到该资源,要注意每一把锁只负责当前的代码块,其他的代码块不管。

以上就是同步代码快的使用方法。下面我们看对象锁的另外一种形式,那就是方法锁。这里的方法锁指代的是普通方法。

(2)方法锁

方法锁相比较同步代码块锁就简单很多了,就是在普通方法上添加synchronized关键字修饰即可。

public class SynTest2 implements Runnable {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynTest2 syn = new SynTest2();
        Thread thread1 = new Thread(syn);
        Thread thread2 = new Thread(syn);
        thread1.start();
        thread2.start();
        // 线程1和线程2只要有一个还存活就一直执行
        while (thread1.isAlive() || thread2.isAlive()) {
        }
        System.out.println("main程序运行结束");
    }
    @Override
    public void run() {
        method();
    }
    public synchronized void method() {
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入到了方法");
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在这个例子中我们使用两个线程对同一个普通方法进行访问,结果可想而知,也就是同一时刻只能有一个线程进入到此方法。我们运行一下,看一下结果。

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跟我们预想的一样,很简单。不过我们想过一个问题没有,此时我们synchronized关键字加了一把锁,这个锁指代是谁呢?像同步代码块锁synchronized (object),这里面都有object,但是方法锁是谁呢?

答案就是this对象,也就是说我们在方法锁里面synchronized其实锁的就是当前this对象。我们如何去验证this锁的存在呢?不如我们再举一个例子:

public class SynTest3 implements Runnable {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynTest3 syn = new SynTest3();
        Thread thread1 = new Thread(syn);
        Thread thread2 = new Thread(syn);
        thread1.start();
        thread2.start();
        // 线程1和线程2只要有一个还存活就一直执行
        while (thread1.isAlive() || thread2.isAlive()) {}
        System.out.println("main程序运行结束");
    }
    @Override
    public void run() {
        method1();
        method2();
    }
    public synchronized void method1() {
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入到了方法1");   
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "离开方法1,并释放锁");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public synchronized void method2() {
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入到了方法2");
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "离开方法2,并释放锁");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

上面这个例子中,我们定义了两个synchronized关键字修饰的方法method1和method2,然后让两个线程同时运行,我们测试一下看看会出现什么结果:

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从结果来看,会发现不管是method1还是method2,同一个时刻两个方法只能有一个线程在运行。这也就是this锁导致的。我们再给一张图描述一下其原理。

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现在应该明白了吧,这也就验证了方法锁的存在。也验证了方法锁的原理。下面我们继续。讨论一下类锁。

2、类锁

上面的锁都是对象锁,下面我们看看类锁。类锁其实也有两种形式,一种是static方法锁,一种是class锁。

(1)static方法锁

在java中,java的类对象可能有无数个,但是类却只有一个。首先我们看第一种形式。

public class SynTest4 implements Runnable {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynTest4 instance1 = new SynTest4();
        SynTest4 instance2 = new SynTest4();
        Thread thread1 = new Thread(instance1);
        Thread thread2 = new Thread(instance2);
        thread1.start();
        thread2.start();
        System.out.println("main程序运行结束");
    }
    @Override
    public void run() {
        method1();
    }
    public static synchronized void method1() {
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入到了静态方法");

            Thread.sleep(2000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "离开静态方法,并释放锁");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在这个例子中我们定义了两个不同的对象instance1和instance2。分别去执行了method1。会出现什么结果呢?

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如果我们把static关键字去掉,很明显现在就是普通方法了,如果我们再去运行,由于instance1和instance2是两个不同的对象,那么也就是两个不同的this锁,这时候就能随便进入了。我们去掉static关键字之后运行一下:

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现在看到了,由于是两个不同的this锁,所以都能进入,就好比是一个门有两把钥匙,每一把都能打开门。

(2)class锁

这种用法我们直接看例子再来分析一下:

public class SynTest5 implements Runnable {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynTest5 instance1 = new SynTest5();
        SynTest5 instance2 = new SynTest5();
        Thread thread1 = new Thread(instance1);
        Thread thread2 = new Thread(instance2);
        thread1.start();
        thread2.start();
        // 线程1和线程2只要有一个还存活就一直执行
        while (thread1.isAlive() || thread2.isAlive()) {}
        System.out.println("main程序运行结束");
    }
    @Override
    public void run() {
        method1();
    }
    public void method1() {
        synchronized (SynTest5.class) {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入到了方法");
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "离开方法");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

在这个例子中我们使用了同步代码块,不过synchronized关键字包装的可不是object了,而是SynTest5.class。我们还定义了两个不同的对象实例instance1和instance2。运行一下我们会发现,线程1和线程2依然会依次执行。

以上就是synchronized关键字的几种常见的用法,到这里我们来一个总结:

对于同步不同步,关键点在于锁,两个线程执行的是同一把锁,那么就依次排队等候,两个线程执行的不是同一把锁,那就各干各的事。

基本的使用我们也讲完了,下面我们进入下一个专题,那就是我们需要注意的事项。这是面试常考的一个问题,不管是机试还是面试。

三、6个常见的使用情况

我们先给出这6种常见的情况,然后一个一个分析。

1、两个线程同时访问一个对象的同步方法。

2、两个线程访问的是两个对象的同步方法。

3、两个线程访问的是synchronized的静态方法。

4、两个线程同时访问同步方法与非同步方法。

5、一个线程访问一个类的两个普通同步方法。

6、同时访问静态同步方法和非静态同步方法。

为了对这6种情况做到心中有数,不至于搞混了,我们画一张图,对每一种情况进行分析。

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上面是框架图,下面我们基于开始来分析:

1、两个线程同时访问一个对象的同步方法

这种情况对应于以下这张图:

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这种情况很简单,我们在上面也演示过,结果就是同一个时刻只能有一个方法进入。这里就不再演示了。

2、两个线程访问的是两个对象的同步方法

这种情况对应于下面这种:

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也就是一个方法有两把锁,线程1和线程2互不干扰的访问。锁是不起作用的。

3、两个线程访问的是synchronized的静态方法

这种情况对应于下面这种情况:

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我们对这种情况来测试一下吧。

public class SynTest6 implements Runnable {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynTest6 instance1 = new SynTest6();
        SynTest6 instance2 = new SynTest6();
        Thread thread1 = new Thread(instance1);
        Thread thread2 = new Thread(instance2);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
    @Override
    public void run() {
        method1();
    }
    public synchronized static void method1() {
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入到了静态方法");
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "离开静态方法,并释放锁");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在这个例子中我们实例化了两个对象instance1和instance2,并且存放在了两个不同的线程中,我们测试一下访问同一个static同步方法你会发现。即使是实例不同,锁也会生效,也就是同一时刻只能有一个线程进去。

4、两个线程同时访问同步方法与非同步方法

这种情况对应于下面这张图:

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我们对这种情况使用代码进行演示一遍:

public class SynTest7 implements Runnable {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynTest7 instance1 = new SynTest7();
        Thread thread1 = new Thread(instance1);
        Thread thread2 = new Thread(instance1);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
    @Override
    public void run() {

        method1();
        method2();
    }
    public synchronized  void method1() {
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入到了同步方法");
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "离开同步方法");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public  void method2() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入了普通方法");
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "离开了普通方法");
    }
}

在上面的代码中,我们定义一个对象,但是使用了两个线程去分别同时访问同步和非同步方法。我们看结果:

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也就是说,同步方法依然会同步执行,非同步方法不会受到任何影响。

5、一个线程访问一个类的两个普通同步方法

这种情况对应于下面这张图:

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我们代码来测试一下:

public class SynTest8 implements Runnable {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynTest8 instance1 = new SynTest8();
        Thread thread1 = new Thread(instance1);
        thread1.start();
    }
    @Override
    public void run() {
        if(Thread.currentThread().getName().equals("Thread-0")) {
            method1();
        }else {
            method2();
        }
    }
    public synchronized  void method1() {
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入到了同步方法1");
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "离开同步方法1");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public synchronized  void method2() {
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入到了同步方法2");
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "离开同步方法2");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

上面这个例子我们创建了一个对象instance1,然后使用一个线程分别去访问同步方法1和同步方法2。结果呢可想而知,所一定会失效。因为在一开始我们已经验证了,此时同步方法1和同步方法2中synchronized锁的就是this对象,所以是同一把锁。当然会生效。

6、同时访问静态同步方法和非静态同步方法

这种情况对应于下面这张图:

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我们使用代码来测试一波:

public class SynTest9 implements Runnable {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynTest9 instance1 = new SynTest9();
        Thread thread1 = new Thread(instance1);
        Thread thread2 = new Thread(instance1);
        thread1.start();thread2.start();
    }
    @Override
    public void run() {
            method1();
            method2();
    }
    public synchronized  void method1() {
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入到了同步方法1");
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "离开同步方法1");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public synchronized static void method2() {
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入到了静态同步方法2");
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "离开静态同步方法2");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在上面的代码中,我们创建了一个instance实例,使用两个线程同时访问普通同步方法和静态同步方法。下面运行一下,看看输出结果:

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上面输出结果表明普通同步方法和静态同步方法是没有关联的,这是为什么呢?这是因为普通同步方法的锁是对象,但是静态同步方法的锁是类,所以这是两把锁。锁自然也就是失效了。

四、性质

读到这里,不知道你是不是已经很疲惫了,反正我写的是很难受,不过剩下的这些部分才是精华,也是面试或者是工作中提升你zhuangbility的一个点。希望你一定要注意。认真读下去。

对于synchronized关键字主要有两个性质:可重入性质和不可中断性质。我们分别来看。

1、可重入性质

什么是可重入呢?指的是同一线程的外层函数获得锁之后,内层函数可以直接再次获取该锁。我们举一个例子来说明,一句话吃着碗里的看着锅里的。嘴里面还没吃完就继续再去拿吃的。这就是可重入。不可重入的意思正好相反,你吃完了这碗饭才能盛下一碗。

可重入的程度可以细分为三种情况,我们分别测试一下:

(1)同一个方法中是不是可重入的。就好比是递归调用同步方法。

(2)不同的方法是不是可重入的。就好比是一个同步方法调用另外一个同步方法。

(3)不同的类方法是不是可重入的。

下面我们就是用代码来测试一遍:

(1)同一个方法是不是可重入的

public class SynTest10 {
    private int a=1;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynTest10 instance1 = new SynTest10();
        instance1.method1();
    }   
    public synchronized  void method1() {
        System.out.println("method1: a= " + a);
        if(a == 3) {
            return ;
        }else {
            a++;
            method1();
        }
    }
}

代码很简单,也就是我们定义了一个变量a,只要a不等于3,就一直递归调用方法method1。我们可以看一下运行结果。

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也就是说在同一个方法中是可重入的。下面我们接着测试。

(2)不同的方法是不是可重入的

public class SynTest10 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynTest10 instance1 = new SynTest10();
        instance1.method1();
    }   
    public synchronized  void method1() {
        System.out.println("method1");
        method2();
    }
    public synchronized  void method2() {
        System.out.println("method2" );
    }
}

我们在同步方法1中调用了同步方法2。我们同样测试一下。

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method1和method2可以依次输出,说明了在不同的方法中也是可重入的。

(3)、不同的类方法是不是可重入的

既然是不同的类,那么我们就在这里定义两个类,一个是Father,一个是Son。我们让son调用father中的方法。

public class Father{
    public synchronized void father() {
        System.out.println("父亲");
    }
}
class Son extends Father{
    public static void main(String[] args) {
        Son instance1 = new Son();
        instance1.son();
    }   
    public synchronized  void son() {
        System.out.println("儿子");
        super.father();
    }
}

在这里son类中使用super.father()调用了父类中的synchronized方法,我们测试一下看看输出结果:

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2、不可中断性质

不可中断的意思你可以这样理解,别人正在打游戏,你也想玩,你必须要等别人不想玩了你才能去。在java中表示一旦这个锁被别人抢走了,你必须等待。等别的线程释放了锁,你才可以拿到。否则就一直等下去。

这一点看起来是个有点但其实在某些场景下弊端超级大,因为假如拿到锁得线程永远的不释放,那你就要永远的等下去。

五、底层原理

对于原理,最好的方式就是深入到JVM中去。我们可以编译看看其字节码文件,再来分析,因此在这里举一个最简单的例子。

1、定义一个简单例子

public class SynTest11 {
    private Object object = new Object();
    public void test() {
        synchronized(object){
            System.out.println("java的架构师技术栈");
        }
    }

}

2、分析

分析的步骤很简单,我们通过反编译字节码文件。记住我们的类名是SynTest11。

先编译生成字节码文件。

这篇文章带你彻底理解synchronized关键字

然后,我们再反编译字节码文件。

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以上我们知道其是就是设置了一个监控器monitor。线程进来那就是monitorenter,线程离开是monitorexit。这就是synchronized关键字最基本的原理。

3、可重入原理

在上面我们曾提到可重入的性质,那么synchronized关键字是如何保证的呢?其是工作是由我们的jvm来完成的,线程第一次给对象加锁的时候,计数为1,以后这个线程再次获取锁的时候,计数会依次增加。同理,任务离开的时候,相应的计数器也会减少。

4、从java内存模型分析

java内存模型不是真正存在的,但是我们可以给出一个内存模型。synchronized关键字,会对同步的代码会先写到工作内存,等synchronized修饰的代码块一结束,就会写入到主内存,这样保证了同步。

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六、缺陷

synchronized关键字既有优点也有缺点,而且缺点贼多,所以后来出现了比他更好的锁。下面我们就来分析一下,这也是面试常问问题。

1、效率低

我们之前曾经分析过synchronized关键字是不可中断的,这也就意味着一个等待的线程如果不能获取到锁将会一直等待,而不能再去做其他的事了。

这里也说明了对synchronized关键字的一个改进措施,那就是设置超时时间,如果一个线程长时间拿不到锁,就可以去做其他事情了。

2、不够灵活

加锁和解锁的时候,每个锁只能有一个对象处理,这对于目前分布式等思想格格不入。

3、无法知道是否成功获取到锁

也就是我们的锁如果获取到了,我们无法得知。既然无法得知我们也就很不容易进行改进。

既然synchronized有这么多缺陷。所以才出现了各种各样的锁。

七、总结

终于写完了,synchronized涉及到的知识点,以及能够引出来的知识点超级多,不过只有理解synchronized关键字,我们才可以更加深入的学习。本篇文章不可能面面俱到,只能说列出来一些常见的知识点。更加深入的理解我也会在后续的文章中指出。感谢大家的支持。

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原文始发于微信公众号(Java的架构师技术栈):这篇文章带你彻底理解synchronized关键字