JAVA并发编程synchronized全能王的原理

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拉丁解牛说技术

发布于 2024-09-03 17:30:05

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发布于 2024-09-03 17:30:05

文章被收录于专栏：JAVA并发编程

说到JAVA并发，相信很多人第一印象想到的就是synchronized，然后就是volatile、JUC、CAS、线程池、AQS、阻塞队列等等这些关键字工具类、原理思想。但这些都离不开并发编程的三大特性：原子性、可见性、有序性。

一、并发编程三大特性

1.1 原子性

和数据库的事务原子性一样，一系列指令操作，要么全部执行，要不都不执行。执行过程不能被打断。

1.2 可见性

当多个线程访问一个共享变量时，一个线程修改了共享变量的值，其他线程能立即读到最新值。

1.3 有序性

程序代码按照先后顺序执行。

二、并发安全问题

多线程并发执行下，很容易出现原子性、可见性、有序性问题。由于指令重排的特性，编译器和处理器为了提高程序运行效率，在保证单线程执行结果一致，对代码执行顺序进行了调整。比如以下语句，执行顺序不一定是1234，经过编译器编译，指令重排后，CPU执行有可能是1324的顺序。

int a=1;//语句1
int b=1;//语句2
a = a +1;//语句3
b = b + a;//语句4

然后可见性问题，由于JAVA内存模型规定，线程是不能直接操作JVM堆内存，必须把共享变量复制到线程缓存里。此外，线程之间无法访问对方的缓存值，需要通过主存来传递。比如这个例子，主线程修改了变量值，但是子线程没有读到最新值。

package lading.java.mutithread;

public class UnVisitDemo {
    public static int count = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "开始执行");
            while (count == 0) {

            }
            System.out.println("子线程" + Thread.currentThread().getName() + "运行结束");
        });
        thread1.start();
        Thread.sleep(1000);
        count = 1;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "修改了count值：" + count);
    }
}

主线程虽然修改了count值为1，但是子线程while循环判断count还是0，导致线程1一直在执行，没有结束。

最后一个原子性的问题，就很容易复现。比如常见卖票，总票量count--。多线程下count会出现小于0的情况。

三、synchronized全能王出场

volatile解决了可见性、有序性问题，但没有解决原子性问题。而synchronized解决了并发的全部问题，尤其是jdk 1.6之后，对synchronized进行了优化，性能与juc的锁不相上下，且用起来非常方便。

synchronized可以直接用于修饰方法和代码块。线程获得互斥锁后，先清空线程本地缓存，从主内存中拷贝变量最新副本到本地缓存，执行代码，将修改的共享变量值刷到主内存，最后释放互斥锁。

synchronized在 jdk1.6版本之前，同步锁只有2种状态：无锁，重量级锁。1.6之后，引入了偏向锁，轻量级锁。毕竟如果只有2个线程交替执行，使用重量级锁，效率是底下的。

偏向锁：当只有一个线程访问锁资源，偏向锁把整个同步措施消除。

轻量级锁：当只有两个线程交替运行，如果竞争锁失败，线程不挂起，而是先飞一会（自旋）。在等待过程，可能就会获得锁。

多线程用synchronized轻松实现多窗口售票案例。

package lading.java.mutithread;

/**
 * 模拟电影院多窗口并发售票
 */
public class SellCinemaTicketDemoSynchronized {
    //可售票数量
    public static int availableTicketNum = 20;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new TicketWindow("拉丁窗口1")).start();
        new Thread(new TicketWindow("拉丁窗口2")).start();
    }
}

class TicketWindow implements Runnable {
    private String windowName;
    //静态类锁粒度更小，比TicketWindow.class 或者SellCinemaTicketDemo.class 并发更高效。
    private static Object lock = new Object();//static换成final就不行？因为static修饰的类在内存中只有一份，而final不是。

    public TicketWindow(String windowName) {
        this.windowName = windowName;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (lock) {
                if (SellCinemaTicketDemoSynchronized.availableTicketNum < 1) {
                    break;
                }
                //售票员操作系统10ms后出票
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                System.out.println(windowName + Thread.currentThread().getName() + "-卖出第" + SellCinemaTicketDemoSynchronized.availableTicketNum-- + "号票");
            }
        }
    }
}

结果：