Java 多线程之线程同步机制

2021-04-16 本文已影响0人程序员汪汪

线程同步机制

背景

例子：创建个窗口卖票，总票数为100张，使用实现Runnable接口的方式。

代码：

class Ticket implements Runnable {
    //  总票数100张
    private int tick = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            if (tick > 0) {

                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 打印出票信息
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "号窗口买票，票号为：" + tick);
                tick--; 
            } else {
                break;
            }
        }
    }
}

public class TicketTest {
    public static void main(String[] args) {
        
        Ticket ticket = new Ticket();
        Thread t1 = new Thread(ticket);
        Thread t2 = new Thread(ticket);
        Thread t3 = new Thread(ticket);

        // 设置线程名（售票窗口）
        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}
/**
截取部分输出：
    窗口3号窗口买票，票号为：7
    窗口2号窗口买票，票号为：7
    窗口1号窗口买票，票号为：7
    窗口3号窗口买票，票号为：4
    窗口2号窗口买票，票号为：4
    窗口1号窗口买票，票号为：4
    窗口1号窗口买票，票号为：1
    窗口2号窗口买票，票号为：0
    窗口3号窗口买票，票号为：0
*/

按照要求，这个程序显然是有问题的：卖票过程中，出现了重票、错票，即出现了线程的安全问题。

问题出现的原因：当某个线程操作车票的过程中，尚未操作完成时，其他线程参与进来，也操作车票。

如何解决：当一个线程a在操作ticket的时候，其他线程不能参与进来。直到线程a操作完ticket时，其他线程才可以开始操作ticket。这种情况即使线程a出现了阻塞，也不能被改变。

同步机制

在Java中，我们通过同步机制，来解决线程的安全问题。

同步代码块

synchronized(同步监视器){//同步监视器就是需要同步线程的公共对象
   //需要被同步的代码  
}

说明：

操作共享数据的代码，即为需要被同步的代码。 -->不能包含代码多了，也不能包含代码少了。
共享数据：多个线程共同操作的变量。比如：ticket就是共享数据。
同步监视器，俗称：锁。任何一个类的对象，都可以充当锁。
要求多个线程必须要共用同一把锁。

在实现Runnable接口创建多线程的方式中，我们可以考虑使用this充当同步监视器。
在继承Thread类创建多线程的方式中，慎用this充当同步监视器，考虑使用当前类充当同步监视器。

代码示例：

实现Runnable接口形式，使用同步代码块

class TicketSync1 implements Runnable {

    private int ticket = 100;
    private Object object = new Object();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            synchronized (object) {
                if (ticket > 0) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "号窗口买票，票号为：" + ticket);
                    ticket--;
                } else {
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

public class TicketSyncTest {

    public static void main(String[] args) {
        TicketSync1 ticket = new TicketSync1();
        Thread t1 = new Thread(ticket);
        Thread t2 = new Thread(ticket);
        Thread t3 = new Thread(ticket);

        // 设置线程名（售票窗口）
        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

    }
}

继承Thread类形式，使用同步代码块：

class TicketSync2 extends Thread {

    private static int ticket = 100; // 注意这里是static
    private static Object object = new Object(); // 注意是static

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
//            synchronized (object) { // 正确的方式
//            synchronized (this) { // 错误的方式，此时的this 会代表t1、t2、t3
            synchronized (TicketSync2.class) { // OK
                if (ticket > 0) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "号窗口买票，票号为：" + ticket);
                    ticket--;
                } else {
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

public class TicketSyncTest2 {

    public static void main(String[] args) {
        TicketSync2 t1 = new TicketSync2();
        TicketSync2 t2 = new TicketSync2();
        TicketSync2 t3 = new TicketSync2();

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

同步方法

如果操作共享数据的代码完整的声明在一个方法中，我们不妨将此方法声明为同步的。

public synchronized void show(String namer){
....
}

代码示例：

实现Runnable接口形式，使用同步方法。

class TicketSync3 implements Runnable {

    private int ticket = 100;
    private boolean isFlag = true;

    @Override
    public void run() {
        while (isFlag) {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            show();
        }
    }

    //同步show方法，这里的同步监视器是this
    private synchronized void show() {

        if (ticket > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "号窗口买票，票号为：" + ticket);
            ticket--;
        } else {
            isFlag = false;
        }
    }
}

public class TicketSyncTest3 {

    public static void main(String[] args) {

        TicketSync3 ticket = new TicketSync3();
        Thread t1 = new Thread(ticket);
        Thread t2 = new Thread(ticket);
        Thread t3 = new Thread(ticket);

        // 设置线程名（售票窗口）
        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

继承Thread类形式，使用同步方法：

class TicketSync4 extends Thread {

    private static int ticket = 100; // 注意这里是static
    private static boolean isFlag = true;

    @Override
    public void run() {
        while (isFlag) {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            show();
        }
    }

//    private static synchronized void show() { // 错误的方式，此时的同步监视器是：t1、t2、t3
    // 这里必须是static——静态同步方法，这里的同步监视器是TicketSync4.class
    private static synchronized void show() {
        if (ticket > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "号窗口买票，票号为：" + ticket);
            ticket--;
        } else {
            isFlag = false;
        }
    }
}

public class TicketSyncTest4 {

    public static void main(String[] args) {
        TicketSync4 t1 = new TicketSync4();
        TicketSync4 t2 = new TicketSync4();
        TicketSync4 t3 = new TicketSync4();

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

Lock

从JDK 5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制--通过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用Lock对象充当。
java.util.concurrent.locks.Lock接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一个线程对Lock对象加锁，线程开始访问共享资源之前应先获得Lock对象。
ReentrantLock类实现了Lock，它拥有与 synchronized相同的并发性和内存语义，在实现线程安全的控制中，比较常用的是 Reentrantlock，可以显式加锁、释放锁。

class A {
    //1.实例化ReentrantLock对象
    private final ReenTrantLock lock = new ReenTrantLook();
    public void m (){
        lock.lock//2.先加锁
        try{
            //保证线程同步的代码
        }finally{
            lock.unlock();//3.后解锁
        }
    }
}
//注意：如果同步代码块有异常，要将unlock()写入finally语句块中

代码示例：

class Window implements Runnable {

    private int ticket = 100;
    // 1.实例化ReentrantLock
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                // 2. 调用锁定方法lock()
                lock.lock();

                if (ticket > 0) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：售票，票号为：" + ticket);
                    ticket--;
                }else {
                    break;
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                // 3.调用unlock()释放锁 
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

public class LockTest {
    public static void main(String[] args) {
        Window window = new Window();

        Thread t1 = new Thread(window);
        Thread t2 = new Thread(window);
        Thread t3 = new Thread(window);

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

总结

在《 Thinking in Java》中，是这么说的：对于并发任务，你需要某种方式来防止两个任务访问相同的资源（其实就是共享资源竞争）。防止这种冲突的方法就是当资源被一个任务使用时，在其上加锁。第一个访问某项资源的任务必须锁定这项资源，使其他仼务在其被解锁之前，就无法访问它了，而在其被解锁之时，另一个任务就可以锁定并使用它了。

synchronized的锁是什么：

任意对象都可以作为同步锁。所有对象都自动含有单一的锁（监视器）
同步方法的锁：静态方法（类名.class）、非静态方法（this）
同步代码块：自己指定，很多时候也是指定为this或类名.class

注意点：

必须确保使用同一个资源的多个线程共用一把锁，这个非常重要，否则就无法保证共享资源的安全
一个线程类中的所有静态方法共用同一把锁（类名.class），所有非静态方法共用同一把锁（this），同步代码块（指定需谨慎）
同步方法仍然涉及到同步监视器，只是不需要我们显式的声明。
非静态的同步方法，同步监视器是：this
静态的同步方法，同步监视器是：当前类本身（类名.class）

同步的范围

如何找问题，即代码是否存在线程安全？（非常重要）

（1）明确哪些代码是多线程运行的代码

（2）明确多个线程是否有共享数据

（3）明确多线程运行代码中是否有多条语句操作共享数据

如何解决呢？（非常重要）

对多条操作共享数据的语句，只能让一个线程都执行完，在执行过程中，其他线程不可以参与执行。即所有操作共享数据的这些语句都要放在同步范围中

注意点：

范围太小：没锁住所有有安全问题的代码范围太大：没发挥多线程的功能。

面试题

1. synchronized与Lock的异同？

相同：二者都可以解决线程安全问题
不同：synchronized机制在执行完相应的同步代码以后，自动的释放同步监视器
Lock需要手动的启动同步（lock()），同时结束同步也需要手动的实现（unlock()）
使用的优先顺序（建议）：

Lock---> 同步代码块 --->同步方法。
利弊：同步的方式，解决了线程的安全问题。---好处操作同步代码时，只能一个线程参与，其他线程等待。相当于是一个单线程的过程，效率低。

2. Java是如何解决线程安全问题的，有几种方式？并对比几种方式的不同

利用同步锁的方式，有三种方式同步代码块、同步方法和用lock方法。

3. synchronized和Lock方式解决线程安全问题的对比

相同：二者都可以解决线程安全问题
不同：synchronized机制在执行完相应的同步代码以后，自动的释放同步监视器
Lock需要手动的启动同步（lock()），同时结束同步也需要手动的实现（unlock()）

线程安全的单例模式

使用同步机制将单例模式中的懒汉式改为线程安全的。

class Bank{

    private Bank(){}

    private static Bank instance = null;

    public static Bank getInstance(){
        //方式一：效率稍差
//        synchronized (Bank.class) {
//            if(instance == null){
//
//                instance = new Bank();
//            }
//            return instance;
//        }
        //方式二：效率更高
        if(instance == null){
            synchronized (Bank.class) {
                if(instance == null){
                    instance = new Bank();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

死锁问题

死锁的理解：不同的线程分别占用对方需要的同步资源不放弃，都在等待对方放弃自己需要的同步资源，就形成了线程的死锁。
说明：出现死锁后，不会出现异常，不会出现提示，只是所的线程都处于阻塞状态，无法继续。
我们使用同步时，要避免出现死锁。

死锁示例：

public static void main(String[] args) {

    StringBuffer s1 = new StringBuffer();
    StringBuffer s2 = new StringBuffer();

    new Thread(){
        @Override
        public void run() {

            synchronized (s1){

                s1.append("a");
                s2.append("1");

                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                synchronized (s2){
                    s1.append("b");
                    s2.append("2");

                    System.out.println(s1);
                    System.out.println(s2);
                }
            }
        }
    }.start();

    new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (s2){

                s1.append("c");
                s2.append("3");

                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                synchronized (s1){
                    s1.append("d");
                    s2.append("4");

                    System.out.println(s1);
                    System.out.println(s2);
                }
            }
        }
    }).start();
}

Java 多线程之线程同步机制

线程同步机制

背景

同步机制

同步代码块

同步方法

Lock

总结

同步的范围

面试题

线程安全的单例模式

死锁问题

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