Java并发编程：Synchronized及其实现原理_public static synchronized void-优快云博客

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本文深入探讨Java中的同步机制，包括同步的基本使用、原理及其在不同场景下的应用。通过多个示例程序，详细解析同步在普通方法、静态方法及代码块中的实现方式，以及其背后的监控器锁机制。

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一. 同步的基本使用

同步是爪哇中解决并发问题的一种最常用的方法，也是最简单的一种方法.Synchronized的作用主要有三个：（1）确保线程互斥的访问同步代码（2）保证共享变量的修改能够及时可见（3）有效解决重排序问题从语法上讲，花样总共有三种用法：

修饰普通方法
修饰静态方法
修饰代码块

接下来我就通过几个例子程序来说明一下这三种使用方式（为了便于比较，三段代码除了同步的使用方式不同以外，其他基本保持一致）。

1. 没有同步的情况：

代码段一：

package com.paddx.test.concurrent;

public class SynchronizedTest {
    public void method1(){
        System.out.println("Method 1 start");
        try {
            System.out.println("Method 1 execute");
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("Method 1 end");
    }

    public void method2(){
        System.out.println("Method 2 start");
        try {
            System.out.println("Method 2 execute");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("Method 2 end");
    }

    public static void main(String[] args) {
        final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test.method1();
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test.method2();
            }
        }).start();
    }
}

执行结果如下，线程1和线程2同时进入执行状态，线程2执行速度比线程1快，所以线程2先执行完成，这个过程中线程1和线程2是同时执行的。

Method 1 start
Method 1 execute
Method 2 start
Method 2 execute
Method 2 end
Method 1 end

2.对普通方法同步：

代码段二：

package com.paddx.test.concurrent;

public class SynchronizedTest {
    public synchronized void method1(){
        System.out.println("Method 1 start");
        try {
            System.out.println("Method 1 execute");
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("Method 1 end");
    }

    public synchronized void method2(){
        System.out.println("Method 2 start");
        try {
            System.out.println("Method 2 execute");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("Method 2 end");
    }

    public static void main(String[] args) {
        final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test.method1();
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test.method2();
            }
        }).start();
    }
}

执行结果如下，跟代码段一比较，可以很明显的看出，线程2需要等待线程1种的方法1执行完成才能开始执行方法2方法。

Method 1 start
Method 1 execute
Method 1 end
Method 2 start
Method 2 execute
Method 2 end

3.静态方法（类）同步

代码段三：

package com.paddx.test.concurrent;
 
 public class SynchronizedTest {
     public static synchronized void method1(){
         System.out.println("Method 1 start");
         try {
             System.out.println("Method 1 execute");
             Thread.sleep(3000);
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         System.out.println("Method 1 end");
     }
 
     public static synchronized void method2(){
         System.out.println("Method 2 start");
         try {
             System.out.println("Method 2 execute");
             Thread.sleep(1000);
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         System.out.println("Method 2 end");
     }
 
     public static void main(String[] args) {
         final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();
         final SynchronizedTest test2 = new SynchronizedTest();
 
         new Thread(new Runnable() {
             @Override
             public void run() {
                 test.method1();
             }
         }).start();
 
         new Thread(new Runnable() {
             @Override
             public void run() {
                 test2.method2();
             }
         }).start();
     }
 }

执行结果如下，对静态方法的同步本质上是对类的同步（静态方法本质上是属于类的方法，而不是对象上的方法），所以即使测试和TEST2属于不同的对象，但是它们都属于SynchronizedTest类的实例，所以也只能顺序的执行方法1和方法2，不能并发执行。

Method 1 start
Method 1 execute
Method 1 end
Method 2 start
Method 2 execute
Method 2 end

如图4所示，代码块同步

代码段四：

package com.paddx.test.concurrent;

public class SynchronizedTest {
    public void method1(){
        System.out.println("Method 1 start");
        try {
            synchronized (this) {
                System.out.println("Method 1 execute");
                Thread.sleep(3000);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("Method 1 end");
    }

    public void method2(){
        System.out.println("Method 2 start");
        try {
            synchronized (this) {
                System.out.println("Method 2 execute");
                Thread.sleep(1000);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("Method 2 end");
    }

    public static void main(String[] args) {
        final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test.method1();
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test.method2();
            }
        }).start();
    }
}

执行结果如下，虽然线程1和线程2都进入了对应的方法开始执行，但是线程2在进入同步块之前，需要等待线程1中同步块执行完成。

Method 1 start
Method 1 execute
Method 2 start
Method 1 end
Method 2 execute
Method 2 end

二，同步原理

如果对上面的执行结果还有疑问，也先不用急，我们先来了解同步的原理，再回头上面的问题就一目了然了。我们先通过反编译下面的代码来看看同步是如何实现对代码块进行同步的：

package com.paddx.test.concurrent;

public class SynchronizedDemo {
    public void method() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("Method 1 start");
        }
    }
}

反编译结果：

关于这两条指令的作用，我们直接参考JVM规范中描述：

监控：

每个对象都与一个监视器相关联。当且仅当拥有所有者时，监视器才会被锁定。执行monitorenter的线程尝试获取与objectref关联的监视器的所有权，如下所示：

•如果与objectref关联的监视器的条目计数为零，则线程进入监视器并将其条目计数设置为1。然后该线程是监视器的所有者。

•如果线程已拥有与objectref关联的监视器，则它将重新进入监视器，增加其条目计数。

•如果另一个线程已拥有与objectref关联的监视器，则该线程将一直阻塞，直到监视器的条目计数为零，然后再次尝试获取所有权。

这段话的大概意思为：

每个对象有一个监视器锁（监视器）当监视被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取监视的所有权，过程如下：

如果监控的进入数为0，则该线程进入监测器，然后将进入数设置为1，该线程即为监控的所有者。
如果线程已经占有该显示器，只是重新进入，则进入显示器的进入数加1。
如果其他线程已经占用了显示器，则该线程进入阻塞状态，直到监测的进入数为0，再重新尝试获取监视的所有权。

monitorexit ：　

执行monitorexit的线程必须是与objectref引用的实例关联的监视器的所有者。

线程递减与objectref关联的监视器的条目计数。如果因此条目计数的值为零，则线程退出监视器并且不再是其所有者。阻止进入监视器的其他线程可以尝试这样做。

这段话的大概意思为：

执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的监视器的所有者。

指令执行时，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出监视器，不再是这个监视器的所有者。其他被这个监视器阻塞的线程可以尝试去获取这个监视器的所有权。

通过这两段描述，我们应该能很清楚的看出同步的实现原理，同步的语义底层是通过一个监视的对象来完成，其实稍等/通知等方法也依赖于监视器对象，这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用等待/通知等方法，否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。

我们再来看一下同步方法的反编译结果：

源代码：

package com.paddx.test.concurrent;

public class SynchronizedMethod {
    public synchronized void method() {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

反编译结果：

从反编译的结果来看，方法的同步并没有通过指令monitorenter和monitorexit来完成（理论上其实也可以通过这两条指令来实现），不过相对于普通方法，其常量池中多了ACC_SYNCHRONIZED标示符。JVM就是根据该标示符来实现方法的同步的：当方法调用时，调用指令将会检查方法的ACC_SYNCHRONIZED访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先获取监视器，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放监视器。在方法执行期间，其他任何线程都无法再获得同一个监视器对象。其实本质上没有区别，只是方法的同步是一种隐式的方式来实现，无需通过字节码来完成。

三，运行结果解释

有了对同步原理的认识，再来看上面的程序就可以迎刃而解了。

如图1所示，代码段2结果：

虽然方法1方法2和是不同的方法，但是这两个方法都进行了同步，并且是通过同一个对象去调用的，所以调用之前都需要先去竞争同一个对象上的锁（监视器），也就只能互斥的获取到锁，因此，方法1和方法2只能顺序的执行。

2，代码段3结果：

虽然测试和TEST2属于不同对象，但是测试和TEST2属于同一个类的不同实例，由于方法1方法2和都属于静态同步方法，所以调用的时候需要获取同一个类上监视（每个类只对应一个类对象），所以也只能顺序的执行。

3，代码段4结果：

对于代码块的同步实质上需要获取同步关键字后面括号中对象的监控，由于这段代码中括号的内容都是如此，而方法1和方法2又是通过同一的对象去调用的，所以进入同步块之前需要去竞争同一个对象上的锁，因此只能顺序执行同步块。

四，总结

同步是Java的并发编程中最常用的用于保证线程安全的方式，其使用相对也比较简单。但是如果能够深入了解其原理，对监视器锁等底层知识有所了解，一方面可以帮助我们正确的使用同步关键字，另一方面也能够帮助我们更好的理解并发编程机制，有助我们在不同的情况下选择更优的并发策略来完成任务。对平时遇到的各种并发问题，也能够从容的应对。