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Java synchronized与死锁深入探究

2023-01-30 12:00

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1.synchronized的特性

1). 互斥性

当某个线程执行到 synchronized 所修饰的对象时 , 该线程对象会加锁(lock) , 其他线程如果执行到同一个对象的 synchronized 就会产生阻塞等待.

进入 synchronized 修饰的代码块 , 相当于加锁.
退出 synchronized 修饰着代码块 , 相当于解锁.

synchronized 使用的锁存储在Java对象里 , 可以理解为每个对象在内存中存储时 , 都有一块内存表示当前的锁定状态.类似于公厕的"有人" , "无人".

如果是"无人"状态 , 此时就可以使用 , 使用时需设置为"有人"状态.

如果是"有人"状态 , 此时就需要排队等待.

如果理解阻塞等待?

针对每一把锁 , 操作系统都会维护一个等待队列 , 当一个线程获取到这个锁之后 , 其他线性再尝试获取这个锁 , 就会获取不到锁 , 陷入阻塞等待. 一直等到之前这个线程释放锁后 , 操作系统才会唤醒其他线程来再次竞争这个锁.

2)可重入

synchronized 对同一个线程来说是可重入的 , 不会出现把自己锁死的情况.

如何理解把自己锁死?

观察下面这段代码可以发现 , 当某个线程调用add方法时 , 就会对 this 对象先加锁 , 接着进入代码块又会对 this 对象再次尝试加锁. 站在 this 对象的角度 , 它认为自己已经被另外的线程占用了 , 那么第二次加锁是否需要阻塞等待呢? 如果运行上述情况 , 那么这个锁就是可重入的 , 否则就是不可重入的.不可重入锁会导致出现死锁 , 而Java中的 synchronized 是可重入锁 , 因此没有上述问题.

synchronized public void add(){
        synchronized (this) {
            count++;
        }
    }

在可重入锁内部 , 包含了"线程持有者"和"计数器"两个信息.

如果每个线程加锁时 , 发现锁以及被占用了 , 但加锁的人是它自己 , 那么仍然可以获取到锁 , 让计数器自增.
解锁的时候当计数器递减到0时 , 才真正释放锁.

2.synchronized使用示例:

1). 修饰普通方法

锁的是 Counter 对象.

class Counter{
    public int count;
    synchronized public void add(){
            count++;
        }
}

2). 修饰静态方法

锁的是 Counter 类

class Counter{
    public int count;
    synchronized public static void add(){
            count++;
        }
}

3).修饰代码块.明确指定锁哪个对象

锁当前对象:

class Counter{
    public int count;
    public void add(){
        synchronized (this) {
            count++;
        }
    }
}

锁类对象:

class Counter{
    public int count;
    public void add(){
        synchronized (Counter.class) {
            count++;
        }
    }
}

类锁和对象锁有什么区别?

顾名思义 , 对象锁用来锁住当前对象 , 类锁用来锁住当前类.如果一个类有多个实例对象 , 那么如果对其中一个对象加锁 , 别的线程只会在访问这个对象时阻塞等待 , 访问其他对象时没有影响.但如果是类锁 , 那么当一个线程对这个类加锁后 , 其他线程访问该类的所有对象都要阻塞等待.

3.Java标准库中的线程安全类

Java 标准库中有很多线程是不安全的 , 这些类可能涉及多线程修改共享数据 , 却又没有任何加锁措施.

ArrayList
LinkedList
HashMap
HashSet
TreeSet
StringBuilder

但还有一些是线程安全的 , 使用一些锁机制来控制.

Vector
HashTable
CurrentHashMap
StringBuffer

@Override
    @IntrinsicCandidate
    public synchronized StringBuffer append(String str) {
        toStringCache = null;
        super.append(str);
        return this;
    }

这些线程之所以不加锁是因为 , 加锁会损失部分性能.

4.死锁是什么

死锁是这样一种情况 , 多个线程同时被阻塞 , 其中一个或全部都在等待某个资源被释放.由于线程被无限期的阻塞 , 因此程序不可能正常终止.

死锁的三个典型情况

1). 一个线程一把锁 , 连续加两次 , 如果锁是不可重入锁 , 就会死锁. Java中的synchronized和ReentranLock 都是可重入锁 , 因此不会出现上述问题.

2). 两个线程两把锁 , t1 和 t2 线程各种先针对锁A和锁B加锁 , 再尝试获取对方的锁.

例如 , 张三和女神去吃饺子 , 需要蘸醋和酱油 , 张三拿到醋 , 女神拿到酱油 , 张三对女神说:"你先把酱油给我 , 我用完就把醋给你" , 女神对张三说:"你先把醋给我 , 我用完就把酱油给你". 这时两人争执不下 , 就构成了死锁 , 醋和酱油就是两把锁 , 张三和女生就是两个线程.

public static void main(String[] args) {
        Object jiangyou = new Object();
        Object cu  = new Object();
        Thread zhangsan = new Thread(()->{
            synchronized (jiangyou){
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                synchronized (cu ){
                    System.out.println("张三把酱油和醋都拿到了");
                }
            }
        });
        Thread nvsheng = new Thread(()->{
            synchronized (cu ){
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                synchronized (jiangyou){
                    System.out.println("女神把酱油和醋都拿到了");
                }
            }
        });
        zhangsan.start();
        nvsheng.start();
    }

执行代码后 , 发现没有打印任何日志 , 说明没有线程拿到两把锁.

通过jconsole查看线程的情况:

3)多个线程多把锁

例如常见经典案例--"哲学家就餐问题"

假设有五个哲学家围着桌子吃饭 , 每个人中间放一个筷子 , 哲学家有两种状态 , 1.思考人生(相当于线程的阻塞状态) , 2.拿起筷子吃面条(相当于线程获取到锁执行计算) , 由于操作系统的随机调度 , 这五个哲学家随时都可能想吃面条 , 也随时都可能思考人生 , 但是想要吃面条就得同时拿起左右两个筷子.

假设同一时刻 , 所有哲学家同时拿起左手的筷子 , 所有的哲学家都拿不起右手的筷子 , 就会产生死锁.

死锁是一个严重的"BUG" , 导致一个程序的线程"卡死"无法正常工作.

5.如果避免死锁

死锁的四个必要条件:

1.互斥使用: 当资源被一个线程占有时 , 别的线程不能使用

2.不可抢占: 资源请求者不能从资源获取者手中夺取资源 , 只能等资源占有者主动释放.

3.请求和保持: 当资源请求者请求获取别的资源时 , 保存对原有资源的占有.

4.循环等待: 即存在一个等待队列 , P1占有P2的资源 , P2占有P3的资源 , P3占有P1的资源, 这样就形成一个等待回路.

当上述四个条件都成立就会形成死锁 , 当然破坏其中一个条件也可以打破死锁 , 对于synchronized 来说 , 前三个条件是锁的基本特性 , 因此想要打破死锁只能从"循环等待"入手.

如何破除死锁?

如果我们给锁编号 , 然后指定一个固定的顺序来加锁(必然从小到大) , 任意线程加多把锁的时候都遵循上述顺序, 此时循环等待自然破除.

因此解决哲学家就餐问题就可以给每个筷子编号 , 每个人都遵守"先拿小的再拿大的顺序".此时1号哲学家和2号哲学家为了竞争筷子其中一个人就会阻塞等待 , 这时5号哲学家就有了可乘之机 , 5号哲学家拿起4号和5号筷子吃完面条 , 四号哲学家重复上述操作也吃完面条 , 这样就完美的打破了循环等待的问题.

同样 , 最初的张三和女神吃饺子问题也是同样的解决方式 , 规定两人都按"先拿醋再拿饺子"的顺序执行 , 就可以完美解决死锁问题.

public static void main(String[] args) {
        Object jiangyou = new Object();
        Object cu  = new Object();
        Thread zhangsan = new Thread(()->{
            synchronized (cu){
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                synchronized (jiangyou ){
                    System.out.println("张三把酱油和醋都拿到了");
                }
            }
        });
        Thread nvsheng = new Thread(()->{
            synchronized (cu ){
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                synchronized (jiangyou){
                    System.out.println("女神把酱油和醋都拿到了");
                }
            }
        });
        zhangsan.start();
        nvsheng.start();
    }