Java线程：线程的同步

线程的同步

  1. 多线程出现了安全问题
  2. 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。
  3. 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。

Synchronized的使用方法

  1. 同步代码块：
 synchronized (对象){ 
      // 需要被同步的代码； 
}
  1. synchronized还可以放在方法声明中，表示整个方法为同步方法。 例如：
public synchronized void show (String name){
     ...
}

示例代码1 单例模式懒汉式：

public class ThreadSynchronized {

    public static void main(String[] args) {
        Singleton s1 = Singleton.getInstance();
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }

}

class Singleton {
    private static Singleton instance = null;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {

            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {

                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;

    }
}

输出：

true

示例代码2 代码块实现Runnable:

public class ThreadSynchronized {

    public static void main(String[] args) {
        Counter c = new Counter();
        Thread t1 = new Thread(c);
        Thread t2 = new Thread(c);
        Thread t3 = new Thread(c);
        System.out.println(t1 == t2);
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }

}
public class Counter implements Runnable {
    private int num = 0;

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            synchronized (Counter.class) {
                System.out.printf("num : %d %s %n", num++, Thread.currentThread().getName());

            }
        }
    }

}

输出：

false
num : 0 Thread-0 
num : 1 Thread-0 
num : 2 Thread-0 
num : 3 Thread-0 
num : 4 Thread-0 
num : 5 Thread-0 
num : 6 Thread-0 
num : 7 Thread-0 
num : 8 Thread-0 
num : 9 Thread-0 
num : 10 Thread-2 
num : 11 Thread-1 
num : 12 Thread-1 
num : 13 Thread-1 
num : 14 Thread-1 
num : 15 Thread-1 
num : 16 Thread-1 
num : 17 Thread-1 
num : 18 Thread-1 
num : 19 Thread-1 
num : 20 Thread-1 
num : 21 Thread-2 
num : 22 Thread-2 
num : 23 Thread-2 
num : 24 Thread-2 
num : 25 Thread-2 
num : 26 Thread-2 
num : 27 Thread-2 
num : 28 Thread-2 
num : 29 Thread-2

示例代码3 代码块继承Thread：

public class ThreadSynchronized {

    public static void main(String[] args) {
        NCounter nc1 = new NCounter();
        NCounter nc2 = new NCounter();
        System.out.println(nc1 == nc2);
        nc1.start();
        nc2.start();
    }

}

public class NCounter extends Thread {
    private static int num = 9;

    public void run() {

        for (int i = 0; i < 100; i++) {

            synchronized (Counter.class) {
                if (num >= 0) {
                    System.out.printf("num : %d %s %n", num--, getName());

                } else {
                    return;
                }

            }

        }
    }
}

输出：

false
num : 9 Thread-0 
num : 8 Thread-0 
num : 7 Thread-1 
num : 6 Thread-1 
num : 5 Thread-1 
num : 4 Thread-1 
num : 3 Thread-1 
num : 2 Thread-1 
num : 1 Thread-1 
num : 0 Thread-1

示例代码4 同步方法 实现Runnable：

public class ThreadSynchronized {

    public static void main(String[] args) {

//      同步方法 :方式一
        ExponentialCounter ec= new ExponentialCounter();
        Thread t1 = new Thread(ec);
        Thread t2 = new Thread(ec);
        System.out.println(t1 == t2);
        t1.start();
        t2.start();
                
    }

}
public class ExponentialCounter implements Runnable {
    private int num = 2;
    private int power = 0;

    @Override
    public void run() {

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            show();
        }

    }
    
    public synchronized void show() {
        System.out.printf("num : %d power : %d %s %n",(int) Math.pow(num, power),power++, Thread.currentThread().getName());

    }
}

输出：

false
num : 1 power : 0 Thread-0 
num : 2 power : 1 Thread-0 
num : 4 power : 2 Thread-0 
num : 8 power : 3 Thread-0 
num : 16 power : 4 Thread-0 
num : 32 power : 5 Thread-0 
num : 64 power : 6 Thread-1 
num : 128 power : 7 Thread-1 
num : 256 power : 8 Thread-1 
num : 512 power : 9 Thread-1 
num : 1024 power : 10 Thread-1 
num : 2048 power : 11 Thread-1 
num : 4096 power : 12 Thread-1 
num : 8192 power : 13 Thread-1 
num : 16384 power : 14 Thread-1 
num : 32768 power : 15 Thread-1 
num : 65536 power : 16 Thread-0 
num : 131072 power : 17 Thread-0 
num : 262144 power : 18 Thread-0 
num : 524288 power : 19 Thread-0

示例代码5 同步方法继承Thread：

public class ThreadSynchronized {

    public static void main(String[] args) {

//      同步方法 :方式二
        QuadraticCounter qc1= new QuadraticCounter();
        QuadraticCounter qc2= new QuadraticCounter();
        System.out.println(qc1 == qc2);
        qc1.start();
        qc2.start();
                
    }

}
public class QuadraticCounter extends Thread {
    private static int num = 0;
    private static int power = 2;

    @Override
    public void run() {

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            show();
        }

    }

    public static synchronized void show() {

        System.out.printf("num : %d power : %d %s %n", (int) Math.pow(num++, power), power,
                Thread.currentThread().getName());

    }
}

输出：

false
num : 0 power : 2 Thread-0 
num : 1 power : 2 Thread-0 
num : 4 power : 2 Thread-0 
num : 9 power : 2 Thread-0 
num : 16 power : 2 Thread-1 
num : 25 power : 2 Thread-1 
num : 36 power : 2 Thread-1 
num : 49 power : 2 Thread-1 
num : 64 power : 2 Thread-1 
num : 81 power : 2 Thread-1 
num : 100 power : 2 Thread-1 
num : 121 power : 2 Thread-1 
num : 144 power : 2 Thread-1 
num : 169 power : 2 Thread-1 
num : 196 power : 2 Thread-0 
num : 225 power : 2 Thread-0 
num : 256 power : 2 Thread-0 
num : 289 power : 2 Thread-0 
num : 324 power : 2 Thread-0 
num : 361 power : 2 Thread-0

同步机制中的锁

  • 同步锁机制：
    在《ThinkinginJava》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：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，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）。

同步的范围

  1. 如何找问题，即代码是否存在线程安全？（非常重要）
    • 明确哪些代码是多线程运行的代码。
    • 明确多个线程是否有共享数据。
    • 明确多线程运行代码中是否有多条语句操作共享数据。
  2. 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。
  3. 切记：
    • 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。

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。

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

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

死锁示例代码：

public class ThreadDeadlock {
    static Object obj1 = new Object();
    static Object obj2 = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        new Thread() {
            public void run() {
                synchronized(obj1) {
                    try {
                        sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("Thread 0 : 0");
                    synchronized(obj2) {
                        System.out.println("Thread 0 : 1");
                    }
                }
            }
        }.start();
        new Thread() {
            public void run() {
                synchronized(obj2) {
                    System.out.println("Thread 1 : 0");
                    synchronized(obj1) {
                        System.out.println("Thread 1 : 1");
                    }
                }
            }
        }.start();

    }

}

出现死锁的输出：

Thread 1 : 0
Thread 0 : 0

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。

示例代码:

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ThreadLock {

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        Lock lock = new Lock();
        Thread t1 = new Thread(lock);
        Thread t2 = new Thread(lock);
        System.out.println(t1 == t2);
        t1.start();
        t2.start();

    }

}

class Lock implements Runnable {
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private int num = 0;
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            try {
                lock.lock();
                try {

                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println(e);
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" num: "+num++);
            } catch (Exception e) {

                System.out.println(e);
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }

    }

}

输出:

false
Thread-1 num: 0
Thread-1 num: 1
Thread-1 num: 2
Thread-1 num: 3
Thread-1 num: 4
Thread-1 num: 5
Thread-1 num: 6
Thread-0 num: 7
Thread-0 num: 8
Thread-0 num: 9
Thread-0 num: 10
Thread-1 num: 11
Thread-1 num: 12
Thread-1 num: 13
Thread-0 num: 14
Thread-0 num: 15
Thread-0 num: 16
Thread-0 num: 17
Thread-0 num: 18
Thread-0 num: 19

synchronized 与 Lock 的对比

  1. Lock是显式锁（手动开启和关闭锁，别忘记关闭锁），synchronized是隐式锁，出了作用域自动释放。
  2. Lock只有代码块锁，synchronized有代码块锁和方法锁。
  3. 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）。
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