Java線程同步機制深入闡述

我們可以在計算機上運作各種計算機軟體程式。每一個運作的程式可能包括多個獨立運作的線程（Thread）。 

線程（Thread）是一份獨立運作的程式，有自己專用的運作棧。線程有可能和其他線程共享一些資源，比如，記憶體，檔案，資料庫等。 

當多個線程同時讀寫同一份共享資源的時候，可能會引起沖突。這時候，我們需要引入線程“同步”機制，即各位線程之間要有個先來後到，不能一窩蜂擠上去搶作一團。 

同步這個詞是從英文synchronize（使同時發生）翻譯過來的。我也不明白為什麼要用這個很容易引起誤解的詞。既然大家都這麼用，咱們也就隻好這麼将就。 

線程同步的真實意思和字面意思恰好相反。線程同步的真實意思，其實是“排隊”：幾個線程之間要排隊，一個一個對共享資源進行操作，而不是同時進行操作。 

是以，關于線程同步，需要牢牢記住的第一點是：線程同步就是線程排隊。同步就是排隊。線程同步的目的就是避免線程“同步”執行。這可真是個無聊的繞密碼。 

關于線程同步，需要牢牢記住的第二點是 “共享”這兩個字。隻有共享資源的讀寫通路才需要同步。如果不是共享資源，那麼就根本沒有同步的必要。 

關于線程同步，需要牢牢記住的第三點是，隻有“變量”才需要同步通路。如果共享的資源是固定不變的，那麼就相當于“常量”，線程同時讀取常量也不需要同步。至少一個線程修改共享資源，這樣的情況下，線程之間就需要同步。 

關于線程同步，需要牢牢記住的第四點是：多個線程通路共享資源的代碼有可能是同一份代碼，也有可能是不同的代碼；無論是否執行同一份代碼，隻要這些線程的代碼通路同一份可變的共享資源，這些線程之間就需要同步。 

為了加深了解，下面舉幾個例子。 

有兩個采購員，他們的工作内容是相同的，都是遵循如下的步驟： 

（1）到市場上去，尋找并購買有潛力的樣品。 

（2）回到公司，寫報告。 

這兩個人的工作内容雖然一樣，他們都需要購買樣品，他們可能買到同樣種類的樣品，但是他們絕對不會購買到同一件樣品，他們之間沒有任何共享資源。是以，他們可以各自進行自己的工作，互不幹擾。 

這兩個采購員就相當于兩個線程；兩個采購員遵循相同的工作步驟，相當于這兩個線程執行同一段代碼。 

下面給這兩個采購員增加一個工作步驟。采購員需要根據公司的“布告欄”上面公布的資訊，安排自己的工作計劃。 

這兩個采購員有可能同時走到布告欄的前面，同時觀看布告欄上的資訊。這一點問題都沒有。因為布告欄是隻讀的，這兩個采購員誰都不會去修改布告欄上寫的資訊。 

下面增加一個角色。一個辦公室行政人員這個時候，也走到了布告欄前面，準備修改布告欄上的資訊。 

如果行政人員先到達布告欄，并且正在修改布告欄的内容。兩個采購員這個時候，恰好也到了。這兩個采購員就必須等待行政人員完成修改之後，才能觀看修改後的資訊。 

如果行政人員到達的時候，兩個采購員已經在觀看布告欄了。那麼行政人員需要等待兩個采購員把目前資訊記錄下來之後，才能夠寫上新的資訊。 

上述這兩種情況，行政人員和采購員對布告欄的通路就需要進行同步。因為其中一個線程（行政人員）修改了共享資源（布告欄）。而且我們可以看到，行政人員的工作流程和采購員的工作流程（執行代碼）完全不同，但是由于他們通路了同一份可變共享資源（布告欄），是以他們之間需要同步。 

同步鎖 

前面講了為什麼要線程同步，下面我們就來看如何才能線程同步。 

線程同步的基本實作思路還是比較容易了解的。我們可以給共享資源加一把鎖，這把鎖隻有一把鑰匙。哪個線程擷取了這把鑰匙，才有權利通路該共享資源。 

生活中，我們也可能會遇到這樣的例子。一些超市的外面提供了一些自動儲物箱。每個儲物箱都有一把鎖，一把鑰匙。人們可以使用那些帶有鑰匙的儲物箱，把東西放到儲物箱裡面，把儲物箱鎖上，然後把鑰匙拿走。這樣，該儲物箱就被鎖住了，其他人不能再通路這個儲物箱。（當然，真實的儲物箱鑰匙是可以被人拿走複制的，是以不要把貴重物品放在超市的儲物箱裡面。于是很多超市都采用了電子密碼鎖。） 

線程同步鎖這個模型看起來很直覺。但是，還有一個嚴峻的問題沒有解決，這個同步鎖應該加在哪裡？ 

當然是加在共享資源上了。反應快的讀者一定會搶先回答。 

沒錯，如果可能，我們當然盡量把同步鎖加在共享資源上。一些比較完善的共享資源，比如，檔案系統，資料庫系統等，自身都提供了比較完善的同步鎖機制。我們不用另外給這些資源加鎖，這些資源自己就有鎖。 

但是，大部分情況下，我們在代碼中通路的共享資源都是比較簡單的共享對象。這些對象裡面沒有地方讓我們加鎖。 

讀者可能會提出建議：為什麼不在每一個對象内部都增加一個新的區域，專門用來加鎖呢？這種設計理論上當然也是可行的。問題在于，線程同步的情況并不是很普遍。如果因為這小機率事件，在所有對象内部都開辟一塊鎖空間，将會帶來極大的空間浪費。得不償失。 

于是，現代的程式設計語言的設計思路都是把同步鎖加在代碼段上。确切的說，是把同步鎖加在“通路共享資源的代碼段” 上。這一點一定要記住，同步鎖是加在代碼段上的。 

同步鎖加在代碼段上，就很好地解決了上述的空間浪費問題。但是卻增加了模型的複雜度，也增加了我們的了解難度。 

現在我們就來仔細分析“同步鎖加在代碼段上 ”的線程同步模型。 

首先，我們已經解決了同步鎖加在哪裡的問題。我們已經确定，同步鎖不是加在共享資源上，而是加在通路共享資源的代碼段上。 

其次，我們要解決的問題是，我們應該在代碼段上加什麼樣的鎖。這個問題是重點中的重點。這是我們尤其要注意的問題：通路同一份共享資源的不同代碼段，應該加上同一個同步鎖；如果加的是不同的同步鎖，那麼根本就起不到同步的作用，沒有任何意義。 

這就是說，同步鎖本身也一定是多個線程之間的共享對象。 

Java語言的synchronized關鍵字 

為了加深了解，舉幾個代碼段同步的例子。 

不同語言的同步鎖模型都是一樣的。隻是表達方式有些不同。這裡我們以目前最流行的Java語言為例。Java語言裡面用synchronized關鍵字給代碼段加鎖 。整個文法形式表現為 

synchronized(同步鎖) { 

  // 通路共享資源，需要同步的代碼段 

} 

這裡尤其要注意的就是，同步鎖本身一定要是共享的對象。 

… f1() { 

Object lock1 = new Object(); // 産生一個同步鎖 

synchronized(lock1){ 

  // 代碼段 A 

// 通路共享資源 resource1 

// 需要同步 

} 

} 

上面這段代碼沒有任何意義。因為那個同步鎖是在函數體内部産生的。每個線程調用這段代碼的時候，都會産生一個新的同步鎖。那麼多個線程之間，使用的是不同的同步鎖。根本達不到同步的目的。 

同步代碼一定要寫成如下的形式，才有意義。 

public static final Object lock1 = new Object(); 

… f1() { 

synchronized(lock1){ // lock1 是公用同步鎖 

  // 代碼段 A 

// 通路共享資源 resource1 

// 需要同步 

} 

你不一定要把同步鎖聲明為static或者public，但是你一定要保證相關的同步代碼之間，一定要使用同一個同步鎖。

講到這裡，你一定會好奇，這個同步鎖到底是個什麼東西。為什麼随便聲明一個Object對象，就可以作為同步鎖？

在Java裡面，同步鎖的概念就是這樣的。任何一個Object Reference都可以作為同步鎖。我們可以把Object Reference了解為對象在記憶體配置設定系統中的記憶體位址。是以，要保證同步代碼段之間使用的是同一個同步鎖，我們就要保證這些同步代碼段的synchronized關鍵字使用的是同一個Object Reference，同一個記憶體位址。這也是為什麼我在前面的代碼中聲明lock1的時候，使用了final關鍵字，這就是為了保證lock1的Object Reference在整個系統運作過程中都保持不變。 

一些求知欲強的讀者可能想要繼續深入了解synchronzied(同步鎖)的實際運作機制。Java虛拟機規範中（你可以在google用“JVM Spec”等關鍵字進行搜尋），有對synchronized關鍵字的詳細解釋。synchronized會編譯成 monitor enter, … monitor exit之類的指令對。Monitor就是實際上的同步鎖。每一個Object Reference在概念上都對應一個monitor。 

這些實作細節問題，并不是了解同步鎖模型的關鍵。我們繼續看幾個例子，加深對同步鎖模型的了解。 

public static final Object lock1 = new Object(); 

… f1() { 

synchronized(lock1){ // lock1 是公用同步鎖 

  // 代碼段 A 

// 通路共享資源 resource1 

// 需要同步 

} 

} 

… f2() { 

synchronized(lock1){ // lock1 是公用同步鎖 

  // 代碼段 B 

// 通路共享資源 resource1 

// 需要同步 

} 

} 

上述的代碼中，代碼段A和代碼段B就是同步的。因為它們使用的是同一個同步鎖lock1。 

如果有10個線程同時執行代碼段A，同時還有20個線程同時執行代碼段B，那麼這30個線程之間都是要進行同步的。 

這30個線程都要競争一個同步鎖lock1。同一時刻，隻有一個線程能夠獲得lock1的所有權，隻有一個線程可以執行代碼段A或者代碼段B。其他競争失敗的線程隻能暫停運作，進入到該同步鎖的就緒（Ready）隊列。 

每一個同步鎖下面都挂了幾個線程隊列，包括就緒（Ready）隊列，待召（Waiting）隊列等。比如，lock1對應的就緒隊列就可以叫做lock1 - ready queue。每個隊列裡面都可能有多個暫停運作的線程。 

注意，競争同步鎖失敗的線程進入的是該同步鎖的就緒（Ready）隊列，而不是後面要講述的待召隊列（Waiting Queue，也可以翻譯為等待隊列）。就緒隊列裡面的線程總是時刻準備着競争同步鎖，時刻準備着運作。而待召隊列裡面的線程則隻能一直等待，直到等到某個信号的通知之後，才能夠轉移到就緒隊列中，準備運作。 

成功擷取同步鎖的線程，執行完同步代碼段之後，會釋放同步鎖。該同步鎖的就緒隊列中的其他線程就繼續下一輪同步鎖的競争。成功者就可以繼續運作，失敗者還是要乖乖地待在就緒隊列中。 

是以，線程同步是非常耗費資源的一種操作。我們要盡量控制線程同步的代碼段範圍。同步的代碼段範圍越小越好 。我們用一個名詞“同步粒度 ”來表示同步代碼段的範圍。 

同步粒度 

在Java語言裡面，我們可以直接把synchronized關鍵字直接加在函數的定義上。 

比如。 

… synchronized … f1() { 

  // f1 代碼段 

} 

這段代碼就等價于 

… f1() { 

  synchronized(this){ // 同步鎖就是對象本身 

    // f1 代碼段 

  } 

} 

同樣的原則适用于靜态（static）函數 

比如。 

… static synchronized … f1() { 

  // f1 代碼段 

} 

這段代碼就等價于 

…static … f1() { 

  synchronized(Class.forName(…)){ // 同步鎖是類定義本身 

    // f1 代碼段 

  } 

} 

但是，我們要盡量避免這種直接把synchronized加在函數定義上的偷懶做法。因為我們要控制同步粒度。同步的代碼段越小越好。synchronized控制的範圍越小越好。 

我們不僅要在縮小同步代碼段的長度上下功夫，我們同時還要注意細分同步鎖。 

比如，下面的代碼 

public static final Object lock1 = new Object(); 

… f1() { 

synchronized(lock1){ // lock1 是公用同步鎖 

  // 代碼段 A 

// 通路共享資源 resource1 

// 需要同步 

} 

} 

… f2() { 

synchronized(lock1){ // lock1 是公用同步鎖 

  // 代碼段 B 

// 通路共享資源 resource1 

// 需要同步 

} 

} 

… f3() { 

synchronized(lock1){ // lock1 是公用同步鎖 

  // 代碼段 C 

// 通路共享資源 resource2 

// 需要同步 

} 

} 

… f4() { 

synchronized(lock1){ // lock1 是公用同步鎖 

  // 代碼段 D 

// 通路共享資源 resource2 

// 需要同步 

} 

} 

上述的4段同步代碼，使用同一個同步鎖lock1。所有調用4段代碼中任何一段代碼的線程，都需要競争同一個同步鎖lock1。 

我們仔細分析一下，發現這是沒有必要的。 

因為f1()的代碼段A和f2()的代碼段B通路的共享資源是resource1，f3()的代碼段C和f4()的代碼段D通路的共享資源是resource2，它們沒有必要都競争同一個同步鎖lock1。我們可以增加一個同步鎖lock2。f3()和f4()的代碼可以修改為： 

public static final Object lock2 = new Object(); 

… f3() { 

synchronized(lock2){ // lock2 是公用同步鎖 

  // 代碼段 C 

// 通路共享資源 resource2 

// 需要同步 

} 

} 

… f4() { 

synchronized(lock2){ // lock2 是公用同步鎖 

  // 代碼段 D 

// 通路共享資源 resource2 

// 需要同步 

} 

} 

這樣，f1()和f2()就會競争lock1，而f3()和f4()就會競争lock2。這樣，分開來分别競争兩個鎖，就可以大大較少同步鎖競争的機率，進而減少系統的開銷。 

信号量 

同步鎖模型隻是最簡單的同步模型。同一時刻，隻有一個線程能夠運作同步代碼。 

有的時候，我們希望處理更加複雜的同步模型，比如生産者/消費者模型、讀寫同步模型等。這種情況下，同步鎖模型就不夠用了。我們需要一個新的模型。這就是我們要講述的信号量模型。 

信号量模型的工作方式如下：線程在運作的過程中，可以主動停下來，等待某個信号量的通知；這時候，該線程就進入到該信号量的待召（Waiting）隊列當中；等到通知之後，再繼續運作。 

很多語言裡面，同步鎖都由專門的對象表示，對象名通常叫Monitor。 

同樣，在很多語言中，信号量通常也有專門的對象名來表示，比如，Mutex，Semphore。 

信号量模型要比同步鎖模型複雜許多。一些系統中，信号量甚至可以跨程序進行同步。另外一些信号量甚至還有計數功能，能夠控制同時運作的線程數。 

我們沒有必要考慮那麼複雜的模型。所有那些複雜的模型，都是最基本的模型衍生出來的。隻要掌握了最基本的信号量模型——“等待/通知”模型，複雜模型也就迎刃而解了。 

我們還是以Java語言為例。Java語言裡面的同步鎖和信号量概念都非常模糊，沒有專門的對象名詞來表示同步鎖和信号量，隻有兩個同步鎖相關的關鍵字——volatile和synchronized。 

這種模糊雖然導緻概念不清，但同時也避免了Monitor、Mutex、Semphore等名詞帶來的種種誤解。我們不必執着于名詞之争，可以專注于了解實際的運作原理。 

在Java語言裡面，任何一個Object Reference都可以作為同步鎖。同樣的道理，任何一個Object Reference也可以作為信号量。 

Object對象的wait()方法就是等待通知，Object對象的notify()方法就是發出通知。 

具體調用方法為 

（1）等待某個信号量的通知 

public static final Object signal = new Object(); 

… f1() { 

synchronized(singal) { // 首先我們要擷取這個信号量。這個信号量同時也是一個同步鎖 

    // 隻有成功擷取了signal這個信号量兼同步鎖之後，我們才可能進入這段代碼 

    signal.wait(); // 這裡要放棄信号量。本線程要進入signal信号量的待召（Waiting）隊列 

// 可憐。辛辛苦苦争取到手的信号量，就這麼被放棄了 

    // 等到通知之後，從待召（Waiting）隊列轉到就緒（Ready）隊列裡面 

// 轉到了就緒隊列中，離CPU核心近了一步，就有機會繼續執行下面的代碼了。 

// 仍然需要把signal同步鎖競争到手，才能夠真正繼續執行下面的代碼。命苦啊。 

    … 

} 

} 

需要注意的是，上述代碼中的signal.wait()的意思。signal.wait()很容易導緻誤解。signal.wait()的意思并不是說，signal開始wait，而是說，運作這段代碼的目前線程開始wait這個signal對象，即進入signal對象的待召（Waiting）隊列。 

（2）發出某個信号量的通知 

… f2() { 

synchronized(singal) { // 首先，我們同樣要擷取這個信号量。同時也是一個同步鎖。 

    // 隻有成功擷取了signal這個信号量兼同步鎖之後，我們才可能進入這段代碼 

signal.notify(); // 這裡，我們通知signal的待召隊列中的某個線程。 

// 如果某個線程等到了這個通知，那個線程就會轉到就緒隊列中 

// 但是本線程仍然繼續擁有signal這個同步鎖，本線程仍然繼續執行 

// 嘿嘿，雖然本線程好心通知其他線程， 

// 但是，本線程可沒有那麼高風亮節，放棄到手的同步鎖 

// 本線程繼續執行下面的代碼 

    … 

} 

} 

需要注意的是，signal.notify()的意思。signal.notify()并不是通知signal這個對象本身。而是通知正在等待signal信号量的其他線程。 

以上就是Object的wait()和notify()的基本用法。 

實際上，wait()還可以定義等待時間，當線程在某信号量的待召隊列中，等到足夠長的時間，就會等無可等，無需再等，自己就從待召隊列轉移到就緒隊列中了。 

另外，還有一個notifyAll()方法，表示通知待召隊列裡面的所有線程。 

這些細節問題，并不對大局産生影響。 

綠色線程 

綠色線程（Green Thread）是一個相對于作業系統線程（Native Thread）的概念。 

作業系統線程（Native Thread）的意思就是，程式裡面的線程會真正映射到作業系統的線程，線程的運作和排程都是由作業系統控制的 

綠色線程（Green Thread）的意思是，程式裡面的線程不會真正映射到作業系統的線程，而是由語言運作平台自身來排程。 

目前版本的Python語言的線程就可以映射到作業系統線程。目前版本的Ruby語言的線程就屬于綠色線程，無法映射到作業系統的線程，是以Ruby語言的線程的運作速度比較慢。 

難道說，綠色線程要比作業系統線程要慢嗎？當然不是這樣。事實上，情況可能正好相反。Ruby是一個特殊的例子。線程排程器并不是很成熟。 

目前，線程的流行實作模型就是綠色線程。比如，stackless Python，就引入了更加輕量的綠色線程概念。線上程并發程式設計方面，無論是運作速度還是并發負載上，都優于Python。 

另一個更著名的例子就是ErLang（愛立信公司開發的一種開源語言）。 

ErLang的綠色線程概念非常徹底。ErLang的線程不叫Thread，而是叫做Process。這很容易和程序混淆起來。這裡要注意區分一下。 

ErLang Process之間根本就不需要同步。因為ErLang語言的所有變量都是final的，不允許變量的值發生任何變化。是以根本就不需要同步。 

final變量的另一個好處就是，對象之間不可能出現交叉引用，不可能構成一種環狀的關聯，對象之間的關聯都是單向的，樹狀的。是以，記憶體垃圾回收的算法效率也非常高。這就讓ErLang能夠達到Soft Real Time（軟實時）的效果。這對于一門支援記憶體垃圾回收的語言來說，可不是一件容易的事情。