并发编程学习笔记(3)----synchronized关键字以及单例模式与线程安全问题

最新推荐文章于 2021-04-11 16:52:51 发布

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本文深入探讨Java中synchronized关键字的使用，包括其实例方法、静态方法和代码块的锁机制，以及偏向锁和轻量级锁的优化策略。同时，解析了单例模式在多线程环境下的线程安全问题及解决方案。

再说synchronized关键字之前，我们首先先小小的了解一个概念-内置锁。

什么是内置锁？

在java中，每个java对象都可以用作synchronized关键字的锁，这些锁就被称为内置锁，每个对象的锁的信息都存在对象头中

所以synchronized关键字在使用过程中之所以能够保证线程的安全，也是因为使用了锁。下面就说说synchronized具体的几种用法，及使用何种类型的内置锁。

（一）用synchronized关键字修饰实例方法，示例代码：

/**
     * synchronized 作用在实力方法上时，此时的内置锁为当前对象，即this
     */
    public synchronized void fun1 () { }

当synchronized关键字作用在实例方法上时，此时的内置锁为当前的对象-thsi。

（二）用synchronized关键字修饰静态方法，示例代码：

 /**
     * synchronized 作用在静态方法上时，此时的内置锁为当前类的字节码（Xxx.class）所对应Class对象
     */
    public static synchronized void fun2 () { }

当synchronized关键字作用在静态方法（类方法）上时，此时的内置锁为当前类的字节码对应的Class对象，及Xxx.class所对应的对象。

（三）用synchronized关键字修饰代码块，示例代码：

 /**
     * synchronized 作用在代码块时，此时的内置锁为括号中的对象
     */
    public static synchronized void fun3 () { synchronized (Main.class){ } }

当作用在代码块上时，内置对象为括号中的对象，此时的括号是必须要有的，因为在代码块中，synchronized必须要接收一把锁来保证线程的安全，这里对象可以是任意的java对象，如你可以自己创建一个obj传入也是没有问题的。

由于每次的锁的获取和释放总是会耗费时间，所以在synchronized中优化中也存在了偏向锁，轻量级锁等。

偏向锁：很多情况下，竞争锁时不是多个线程，而是单个线程在访问，如果此时依然按照多个线程来获取和释放锁，就会在消耗资源，所以在java的对象头中的Mark Word中就会存储偏向锁的信息，偏向锁会偏向于第一次进来的线程，如果在运行过程中不存在其他线程使用同步锁的情况下，那么就会给当前线程添加偏向锁标记。它不会每次执行都获取释放锁，当遇到其他线程竞争该锁时，该偏向锁会被挂起，jvm将会消除该锁的偏向锁标记，使其变成标准的轻量级锁。偏向锁适用于始终只有一个线程执行任务的情况。可以通过命令开启偏向锁：-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0

关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking

轻量级锁：轻量级锁是偏向锁失败升级得来的，它会简单的将对象头部作为指针，自旋的指向持有锁的线程堆栈内部，以此来判断一个线程是否持有对象锁，如果线程获取到轻量级锁成功，该线程可以顺利的进入到临界区执行，如果失败，则表示其他线程已经抢夺到了所，那么当前的轻量级锁就会膨胀成为重量级锁。

单例模式与线程安全问题。

在单利模式的懒汉式下，由于所执行的都是原子性操作，所以不会产生线程安全问题，但是当在饿汉式的模式下，由于非原子性操作，所以在多线程的环境下就会产生安全问题，产生非单例的对象。

所以一般在写多线程下的单例模式时，都采用的是双重判断加锁的机制方式来实现单例模式。实例代码：

package com.wangx.thread.t3;

/**
 * 单利模式与线程安全
 */
public class Singleton { /** * 使用volatile可以防止指令重排序的情况下产生的线程安全问题 */ private volatile static Singleton singleton; private Singleton() { } /** * 使用双重判断加锁的可以避免线程安全问题 * @return */ public static Singleton getInstance() { if (singleton == null ) { synchronized (Singleton.class) { if (singleton == null) { singleton = new Singleton(); } } } return singleton; } }

使用双重判定是因为在第一个if为空的情况下，可能两个线程同时进入了if代码块，但是当前一个线程获取锁并创建了对象之后，后一个语句块由于是在第一个if语句块中，所以会继续往下执行，创建新的对象，产生了安全问题，所以在synchronized代码块中还需要再进行一次判断。使用volatile关键字修饰属性是因为在虚拟机的执行过程中由于性能优化，会进行指令重排序，如第一步申请了内存空间，第二部需要在空间上创建实例，第三步将对象引用指向实例空间，但是由于指令重排序可能会在申请空间之后就将对象引用指向空间，此时的对象还会创建，但是singleton 已经指向了空间，此时如果有其他线程进来刚好执行到第一个if语句时，singleton已经不为空了，就会产出线程安全问题，所以使用volatile可以禁止指令重排序，会对该变量的写操作设置一道屏障，在该变量没有赋值完成之前，不允许其他线程对该变量进行读操作。

volatile的使用及原理：

volatile在多线程的环境下保证了变量的修改对每个线程可见，可以轻量级的保证线程安全问题，比如在A线程中修改了a变量的值，那么该修改在线程b中是可见的，a变量一旦发生改变完成，那么b线程就能立刻读取到a改变后的值，这样就实现了线程之间通信的一个概念，保证线程的安全，相比较synchronized而已，volatile只能够保证一些原子性操作的变量的值一致性。在运用可以使用volatile来告诉另一个线程是否可以执行等操作。

volatile实现的原理是，在多个处理器处理任务时，cpu会将任务缓存到处理器中，这样可以加快任务的执行效率，但是到资源被写回到内存中时，所有处理器上缓存的该资源都将会失效，需要重新从内存中读取资源，为了保证数据一致性。而volatile关键字的作用就是将每个变量经处理器执行之后立刻写回到内存中，此时其他处理器失效，重新重内存中读取该资源，实现了变量在线程中的可见性，但是根据原理也可以看出，使用volatile也会降低处理器的执行效率，进而影响到程序的执行速度。所以在开发中volatile的使用也是需要注意和思考取舍的。

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