Java多线程（二）

东湖之滨 · 2022-9-16 17:14:14

Java多线程（二）

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Java多线程（二）
- - 四、线程的同步

四、线程的同步

4.1 线程同步的引入：

多线程出现了安全问题。
问题的原因： 当多条语句在操作同一个线程共享数据时，一个线程对多条语句只执行了一部分，还没有执行完，另一个线程参与进来执行。导致共享数据的错误。例如：买票问题、银行卡消费问题等等。
解决办法： 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。

所以，Java 对于多线程的安全问题提供了专业的解决方式：同步机制。
4.2 线程同步的方式之一：同步代码块

语法格式：

synchronized (对象/同步监视器){ //得到对象的锁，才能操作同步代码
// 需要被同步的代码
}

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说明：
（1）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。
（2）共享数据：多个线程共同操作的变量。
（3）同步监视器，俗称：锁。任何一个类的对象，都可以充当锁。
（4）要求：多个线程必须要共用同一把锁。

使用同步代码块解决在实现 Runnable 接口的方式创建多线程的线程安全问题

// 例子：创建三个窗口卖票，总票数为100张.使用实现Runnable接口的方式
class Window1 implements Runnable{
private int ticket = 100;
// Object obj = new Object();
@Override
public void run() {
// Object obj = new Object();
while(true){
// 同步代码块---begin
synchronized (this){ // 此时的this：唯一的 Window1 的对象w //方式二：synchronized (object) {
if (ticket > 0) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":卖票，票号为：" + ticket);
ticket--;
} else {
break;
}
}
// 同步代码块---end
}
}
}
public class WindowTest1 {
public static void main(String[] args) {
Window1 w = new Window1();
Thread t1 = new Thread(w);
Thread t2 = new Thread(w);
Thread t3 = new Thread(w);
t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t3.setName("窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}

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使用同步代码块解决继承 Thread 类的方式创建多线程的线程安全问题

class Window2 extends Thread{
private static int ticket = 100;
// private static Object obj = new Object();
@Override
public void run() {
while(true){
synchronized (Window2.class){// Window2.class表示window2这一个类，只会加载一次
// 方式二：synchronized (obj){
// synchronized (this){ 错误的方式：this分别代表着t1,t2,t3三个对象
if(ticket > 0){
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(getName() + "：卖票，票号为：" + ticket);
ticket--;
}else{
break;
}
}
}
}
}
public class WindowTest2 {
public static void main(String[] args) {
Window2 t1 = new Window2();
Window2 t2 = new Window2();
Window2 t3 = new Window2();
t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t3.setName("窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}

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4.3 线程同步的方式之二：同步方法

同步方法：即将操作共享数据的代码完整的声明在一个方法中，将该方法声明为同步方法。
语法格式：

// 将synchronized放在方法声明中，一般放在权限符和返回类型之间，表示整个方法为同步方法
public synchronized void 方法名 (String name){
// 需要被同步的代码
}

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说明：
（1）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。
（2）非静态的同步方法，同步监视器是：this。
（3）静态的同步方法，同步监视器是：当前类本身。

使用同步方法解决在实现 Runnable 接口的方式创建多线程的线程安全问题

class Window3 implements Runnable {
private int ticket = 100;
@Override
public void run() {
while (true) {
show();
}
}
private synchronized void show(){ //同步监视器：this
if (ticket > 0) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":卖票，票号为：" + ticket);
ticket--;
}
}
}
public class WindowTest3 {
public static void main(String[] args) {
Window3 w = new Window3();
Thread t1 = new Thread(w);
Thread t2 = new Thread(w);
Thread t3 = new Thread(w);
t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t3.setName("窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}

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使用同步方法解决继承 Thread 类的方式创建多线程的线程安全问题

class Window4 extends Thread {
private static int ticket = 100;
@Override
public void run() {
while (true) {
show();
}
}
private static synchronized void show(){ //同步监视器：Window4.class
//private synchronized void show(){ //同步监视器：t1,t2,t3。此种解决方式是错误的
if (ticket > 0) {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：卖票，票号为：" + ticket);
ticket--;
}
}
}
public class WindowTest4 {
public static void main(String[] args) {
Window4 t1 = new Window4();
Window4 t2 = new Window4();
Window4 t3 = new Window4();
t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t3.setName("窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}

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总结：
通过上面四个售票例子可以看出：
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。
而在继承Thread类创建多线程的方式一般不使用 this 充当同步监视器，因为每个线程的 this 为该线程的实例对象，不满足多个线程共用一把锁，所以一般考虑用当前类本身充当。

4.4 同步的优势与局限：

优势：解决了线程的安全问题。
局限：操作同步代码时，只能有一个线程参与，其他线程等待。相当于是一个单线程的过程，效率低。也可能会造成死锁问题。

4.5 线程安全的单例模式之懒汉式

public class BankTest {
}
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;
}
}
/*
方式二效率更高的原因：
不需要每个线程都要进去同步方法里面去，可能只有最前面几个进程进入同步方法。
而方式一是所有线程都要进入同步方法导致效率较低。
*/

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4.6 同步锁机制：

同步机制中的锁在《Thinking in Java》中，是这么说的：对于并发工作，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，使其他任务在其被解锁之前，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：可以自己指定，很多时候也是指定为this或类名.class。
注意：
- 必须确保使用同一个资源的多个线程共用一把锁，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）。

4.7 释放锁的操作：

当前线程的同步方法、同步代码块执行结束。
当前线程在同步代码块、同步方法中遇到 break、return 终止了该代码块、该方法的继续执行。
当前线程在同步代码块、同步方法中出现了未处理的 Error 或 Exception，导致异常结束。
当前线程在同步代码块、同步方法中执行了线程对象的 wait() 方法，当前线程暂停，并释放锁。

4.8 不会释放锁的操作：

线程执行同步代码块或同步方法时，程序调用 Thread.sleep()、 Thread.yield() 方法暂停当前线程的执行。
线程执行同步代码块时，其他线程调用了该线程的 suspend() 方法将该线程挂起，该线程不会释放锁（同步监视器）。
应尽量避免使用suspend()和resume()来控制线程

4.9 线程的死锁问题

死锁：
- 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。
- 出现死锁后，不会出现异常，不会出现提示，只是所有的线程都处于阻塞状态，无法继续。
解决方法：
- 专门的算法、原则。
- 尽量减少同步资源的定义。
- 尽量避免嵌套同步。
例子：

//死锁的演示
class A {
public synchronized void foo(B b) { //同步监视器：A类的对象：a
System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
+ " 进入了A实例的foo方法"); // ①
// try {
// Thread.sleep(200);
// } catch (InterruptedException ex) {
// ex.printStackTrace();
// }
System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
+ " 企图调用B实例的last方法"); // ③
b.last();
}
public synchronized void last() {//同步监视器：A类的对象：a
System.out.println("进入了A类的last方法内部");
}
}
class B {
public synchronized void bar(A a) {//同步监视器：b
System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
+ " 进入了B实例的bar方法"); // ②
// try {
// Thread.sleep(200);
// } catch (InterruptedException ex) {
// ex.printStackTrace();
// }
System.out.println("当前线程名: " + Thread.currentThread().getName()
+ " 企图调用A实例的last方法"); // ④
a.last();
}
public synchronized void last() {//同步监视器：b
System.out.println("进入了B类的last方法内部");
}
}
public class DeadLock implements Runnable {
A a = new A();
B b = new B();
public void init() {
Thread.currentThread().setName("主线程");
// 调用a对象的foo方法
a.foo(b);
System.out.println("进入了主线程之后");
}
public void run() {
Thread.currentThread().setName("副线程");
// 调用b对象的bar方法
b.bar(a);
System.out.println("进入了副线程之后");
}
public static void main(String[] args) {
DeadLock dl = new DeadLock();
new Thread(dl).start();
dl.init();
}
}

复制代码

注意：
不是程序运行成功就说明程序里面没有死锁问题，很多时候出现死锁是一个概率问题。在开发中应尽量避免死锁情况。

4.10 线程同步的方式之三：Lock锁

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。
语法：

class A{
//1.实例化ReentrantLock
private final ReentrantLock lock = new ReenTrantLock();
public void m(){
//2.调用锁定方法lock()
lock.lock();
try{
//保证线程安全的代码;
}
finally{
//3.调用解锁方法：unlock()
lock.unlock();
}
}
}

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（面试题）synchronized 与 Lock 的对比
- 相同：二者都可以解决线程安全问题。
- 不同：
  - Lock 是显式锁（手动开启和关闭锁），synchronized 是隐式锁，出了作用域自动释放。
  - Lock 只有代码块锁，synchronized 有代码块锁和方法锁。
  - 使用 Lock 锁，JVM 将花费较少的时间来调度线程，性能更好。并且具有更好的扩展性（提供更多的子类）。
优先使用顺序：

Lock —— 同步代码块（已经进入了方法体，分配了相应资源） —— 同步方法（在方法体之外）
4.11 （简单介绍）公平锁和非公平锁

公平锁（Fair）：加锁前检查是否有排队等待的线程，优先排队等待的线程，先来先得。
非公平锁（Nonfair）：加锁时不考虑排队等待问题，直接尝试获取锁，获取不到自动到队尾等待。
Java中的 ReentrantLock 默认的 lock() 方法采用的是非公平锁。

// 源码：
// ReentrantLock当中的lock（）方法，是通过static内部类sync来进行锁操作
public void lock()
{
sync.lock();
}
-------------------------------------------------------------------
//定义成final型的成员变量，在构造方法中进行初始化
private final Sync sync;
//无参数默认非公平锁
public ReentrantLock()
{
sync = new NonfairSync();
}
//根据参数初始化为公平锁或者非公平锁
public ReentrantLock(boolean fair)
{
sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

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