Java 基础多线程进阶（锁，线程安全）-白红宇

Java 基础多线程进阶（锁，线程安全）

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发布时间：2019-06-15

本文共 8737 字，大约阅读时间需要 29 分钟。

一，前言

　　前面我们已经对线程和线程池有一定的了解，但是只要说到多线程，肯定需要考虑线程安全等问题。接下来我们就来好好聊聊这些问题。

二，线程安全

　　如果有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。程序每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。

　　我们通过一个案例，演示线程的安全问题：

　　电影院要卖票，我们模拟电影院的卖票过程。假设要播放的电影是 “功夫熊猫3”，本次电影的座位共100个(本场电影只能卖100张票)。

　　我们来模拟电影院的售票窗口，实现多个窗口同时卖 “功夫熊猫3”这场电影票(多个窗口一起卖这100张票)

　　需要窗口，采用线程对象来模拟；需要票，Runnable接口子类来模拟

　　测试类

public class ThreadDemo {    public static void main(String[] args) {        //创建票对象        Ticket ticket = new Ticket();                //创建3个窗口        Thread t1  = new Thread(ticket, "窗口1");        Thread t2  = new Thread(ticket, "窗口2");        Thread t3  = new Thread(ticket, "窗口3");                t1.start();        t2.start();        t3.start();    }}

　　模拟票

public class Ticket implements Runnable {    //共100票    int ticket = 100;    @Override    public void run() {        //模拟卖票        while(true){            if (ticket > 0) {                //模拟选坐的操作                try {                    Thread.sleep(1);                } catch (InterruptedException e) {                    e.printStackTrace();                }                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);            }        }    }

运行结果发现：上面程序出现了问题

　　票出现了重复的票

　　错误的票 0、-1

其实，线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；若有多个线程同时执行写操作，一般都需要考虑线程同步，否则的话就可能影响线程安全。

三，线程同步（线程安全处理Synchronized）

　　java中提供了线程同步机制，它能够解决上述的线程安全问题。

　　线程同步的方式有两种：

　　方式1：同步代码块

　　方式2：同步方法

　　3.1 同步代码块

　　在代码块声明上加上synchronized

ynchronized (锁对象) {    可能会产生线程安全问题的代码}

　　同步代码块中的锁对象可以是任意的对象；但多个线程时，要使用同一个锁对象才能够保证线程安全。

　　使用同步代码块，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：

public class Ticket implements Runnable {    //共100票    int ticket = 100;    //定义锁对象    Object lock = new Object();    @Override    public void run() {        //模拟卖票        while(true){            //同步代码块            synchronized (lock){                if (ticket > 0) {                    //模拟电影选坐的操作                    try {                        Thread.sleep(10);                    } catch (InterruptedException e) {                        e.printStackTrace();                    }                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);                }            }        }    }}

　　当使用了同步代码块后，上述的线程的安全问题，解决了。

　　3.2 同步方法

　　同步方法：在方法声明上加上synchronized

public synchronized void method(){       可能会产生线程安全问题的代码}

　　同步方法中的锁对象是 this

　　使用同步方法，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：

public class Ticket implements Runnable {    //共100票    int ticket = 100;    //定义锁对象    Object lock = new Object();    @Override    public void run() {        //模拟卖票        while(true){            //同步方法            method();        }    }//同步方法,锁对象this    public synchronized void method(){        if (ticket > 0) {            //模拟选坐的操作            try {                Thread.sleep(10);            } catch (InterruptedException e) {                e.printStackTrace();            }            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);        }    }}

　　静态同步方法: 在方法声明上加上static synchronized

public static synchronized void method(){可能会产生线程安全问题的代码}

　　静态同步方法中的锁对象是类名.class

四，死锁

　　同步锁使用的弊端：当线程任务中出现了多个同步(多个锁)时，如果同步中嵌套了其他的同步。这时容易引发一种现象：程序出现无限等待，这种现象我们称为死锁。这种情况能避免就避免掉。

synchronzied(A锁){    synchronized(B锁){       　　}}

　　我们进行下死锁情况的代码演示：

　　定义锁对象类

public class MyLock {    public static final Object lockA = new Object();    public static final Object lockB = new Object();}

　　线程任务类

public class ThreadTask implements Runnable {    int x = new Random().nextInt(1);//0,1    //指定线程要执行的任务代码    @Override    public void run() {        while(true){            if (x%2 ==0) {                //情况一                synchronized (MyLock.lockA) {                    System.out.println("if-LockA");                    synchronized (MyLock.lockB) {                        System.out.println("if-LockB");                        System.out.println("if大口吃肉");                    }                }            } else {                //情况二                synchronized (MyLock.lockB) {                    System.out.println("else-LockB");                    synchronized (MyLock.lockA) {                        System.out.println("else-LockA");                        System.out.println("else大口吃肉");                    }                }            }            x++;        }    }}

　　测试类

public class ThreadDemo {    public static void main(String[] args) {        //创建线程任务类对象        ThreadTask task = new ThreadTask();        //创建两个线程        Thread t1 = new Thread(task);        Thread t2 = new Thread(task);        //启动线程        t1.start();        t2.start();    }}

五，Lock接口

　　查阅API，查阅Lock接口描述，Lock 实现提供了比使用 synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。

　　Lock接口中的常用方法

　　Lock提供了一个更加面对对象的锁，在该锁中提供了更多的操作锁的功能。

　　我们使用Lock接口，以及其中的lock()方法和unlock()方法替代同步，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：

public class Ticket implements Runnable {    //共100票    int ticket = 100;        //创建Lock锁对象    Lock ck = new ReentrantLock();        @Override    public void run() {        //模拟卖票        while(true){            //synchronized (lock){
                ck.lock();                if (ticket > 0) {                    //模拟选坐的操作                    try {                        Thread.sleep(10);                    } catch (InterruptedException e) {                        e.printStackTrace();                    }                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);                }            ck.unlock();            //}        }    }}

六，等待唤醒机制

　　在开始讲解等待唤醒机制之前，有必要搞清一个概念——线程之间的通信：多个线程在处理同一个资源，但是处理的动作（线程的任务）却不相同。通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。而这种手段即—— 等待唤醒机制。

　　等待唤醒机制所涉及到的方法：

　　　　wait（） :等待，将正在执行的线程释放其执行资格和执行权，并存储到线程池中。

　　　　notify（）：唤醒，唤醒线程池中被wait（）的线程，一次唤醒一个，而且是任意的。

　　　　notifyAll（）：唤醒全部：可以将线程池中的所有wait() 线程都唤醒。

　　其实，所谓唤醒的意思就是让线程池中的线程具备执行资格。必须注意的是，这些方法都是在同步中才有效。同时这些方法在使用时必须标明所属锁，这样才可以明确出这些方法操作的到底是哪个锁上的线程。

　　仔细查看JavaAPI之后，发现这些方法并不定义在 Thread中，也没定义在Runnable接口中，却被定义在了Object类中，为什么这些操作线程的方法定义在Object类中？

　　因为这些方法在使用时，必须要标明所属的锁，而锁又可以是任意对象。能被任意对象调用的方法一定定义在Object类中。

　　接下来，我们先从一个简单的示例入手:

　　如上图说示，输入线程向Resource中输入name ,sex , 输出线程从资源中输出，先要完成的任务是：

　　1.当input发现Resource中没有数据时，开始输入，输入完成后，叫output来输出。如果发现有数据，就wait();

　　2.当output发现Resource中没有数据时，就wait() ；当发现有数据时，就输出，然后，叫醒input来输入数据。

　　下面代码，模拟等待唤醒机制的实现：

　　模拟资源类

public class Resource {    private String name;    private String sex;    private boolean flag = false;    public synchronized void set(String name, String sex) {        if (flag)            try {                wait();            } catch (InterruptedException e) {                e.printStackTrace();            }        // 设置成员变量        this.name = name;        this.sex = sex;        // 设置之后，Resource中有值，将标记该为 true ,        flag = true;        // 唤醒output        this.notify();    }    public synchronized void out() {        if (!flag)            try {                wait();            } catch (InterruptedException e) {                e.printStackTrace();            }        // 输出线程将数据输出        System.out.println("姓名: " + name + "，性别: " + sex);        // 改变标记，以便输入线程输入数据        flag = false;        // 唤醒input，进行数据输入        this.notify();    }}

　　输入线程任务类

public class Input implements Runnable {    private Resource r;    public Input(Resource r) {        this.r = r;    }    @Override    public void run() {        int count = 0;        while (true) {            if (count == 0) {                r.set("小明", "男生");            } else {                r.set("小花", "女生");            }            // 在两个数据之间进行切换            count = (count + 1) % 2;        }    }}

　　输出线程任务类

public class Output implements Runnable {    private Resource r;    public Output(Resource r) {        this.r = r;    }    @Override    public void run() {        while (true) {            r.out();        }    }}

　　测试类

public class ResourceDemo {    public static void main(String[] args) {        // 资源对象        Resource r = new Resource();        // 任务对象        Input in = new Input(r);        Output out = new Output(r);        // 线程对象        Thread t1 = new Thread(in);        Thread t2 = new Thread(out);        // 开启线程        t1.start();        t2.start();    }}