7.5java线程深度解析:线程的同步

线程的同步是保证多线程安全访问竞争资源的一种手段。
线程的同步是Java多线程编程的难点，往往开发者搞不清楚什么是竞争资源、什么时候需要考虑同步，怎么同步等等问题，当然，这些问题没有很明确的答案，但有些原则问题需要考虑，是否有竞争资源被同时改动的问题？

在本文之前，请参阅《7.2java线程深度解析:线程的同步与锁》，本文是在此基础上所写的。

对于同步，在具体的Java代码中需要完成以下两个操作：

  1. 把竞争访问的资源标识为private；
  2. 同步哪些修改变量的代码，使用synchronized关键字同步方法或代码。

当然这不是唯一控制并发安全的途径。

一.同步方法

synchronized关键字使用说明:
synchronized只能标记非抽象的方法，不能标识成员变量。
为了演示同步方法的使用，构建了一个信用卡账户，起初信用额为100w，然后模拟透支、存款等多个操作。显然银行账户User对象是个竞争资源，而多个并发操作的是账户方法oper(int x)，当然应该在此方法上加上同步，并将账户的余额设为私有变量，禁止直接访问。

/** 
* Java线程：线程的同步 
* 
* @author leizhimin 2009-11-4 11:23:32 
*/ 
publicclass Test {
        public static void main(String[] args) {
                User u = new User("张三", 100);
                MyThread t1 = new MyThread("线程A", u, 20);
                MyThread t2 = new MyThread("线程B", u, -60);
                MyThread t3 = new MyThread("线程C", u, -80);
                MyThread t4 = new MyThread("线程D", u, -30);
                MyThread t5 = new MyThread("线程E", u, 32);
                MyThread t6 = new MyThread("线程F", u, 21);

                t1.start(); 
                t2.start(); 
                t3.start(); 
                t4.start(); 
                t5.start(); 
                t6.start(); 
        } 
} 

class MyThread extends Thread { 
        private User u;
        private int y = 0;

        MyThread(String name, User u, int y) {
                super(name);
                this.u = u;
                this.y = y;
        } 

        public void run() {
                u.oper(y); 
        } 
} 

class User { 
        private String code;
        private int cash;

        User(String code, int cash) {
                this.code = code;
                this.cash = cash;
        } 

        public String getCode() {
                return code;
        } 

        public void setCode(String code) {
                this.code = code;
        } 

        /** 
         * 业务方法
         * @param x 添加x万元
         */ 
        public synchronized void oper(int x) {
                try {
                        Thread.sleep(10L); 
                        this.cash += x;
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "运行结束，增加“" + x +"”，当前用户账户余额为：" + cash);
                        Thread.sleep(10L); 
                } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace(); 
                } 
        } 

        @Override 
        public String toString() {
                return "User{" +
                                "code='" + code + '\'' +
                                ", cash=" + cash +
                                '}'; 
        } 
}

线程A运行结束，增加“20”，当前用户账户余额为：120
线程F运行结束，增加“21”，当前用户账户余额为：141
线程E运行结束，增加“32”，当前用户账户余额为：173
线程C运行结束，增加“-80”，当前用户账户余额为：93
线程B运行结束，增加“-60”，当前用户账户余额为：33
线程D运行结束，增加“-30”，当前用户账户余额为：3

反面教材，不同步的情况，也就是去掉oper(int x)方法的synchronized修饰符，然后运行程序，结果如下：

线程A运行结束，增加“20”，当前用户账户余额为：61
线程D运行结束，增加“-30”，当前用户账户余额为：63
线程B运行结束，增加“-60”，当前用户账户余额为：3
线程F运行结束，增加“21”，当前用户账户余额为：61
线程E运行结束，增加“32”，当前用户账户余额为：93
线程C运行结束，增加“-80”，当前用户账户余额为：61

很显然，上面的结果是错误的，导致错误的原因是多个线程并发访问了竞争资源u，并对u的属性做了改动。
可见同步的重要性。
注意：

通过前文可知，线程退出同步方法时将释放掉方法所属对象的锁，但还应该注意的是，同步方法中还可以使用特定的方法对线程进行调度。这些方法来自于java.lang.Object类。

void notify()
唤醒在此对象监视器上等待的单个线程。
void notifyAll()
唤醒在此对象监视器上等待的所有线程。
void wait()
导致当前的线程等待，直到其他线程调用此对象的 notify()方法或 notifyAll()方法。
void wait(long timeout)
导致当前的线程等待，直到其他线程调用此对象的 notify()方法或 notifyAll()方法，或者超过指定的时间量。
void wait(long timeout,int nanos)
导致当前的线程等待，直到其他线程调用此对象的 notify()方法或 notifyAll()方法，或者其他某个线程中断当前线程，或者已超过某个实际时间量。

结合以上方法，处理多线程同步与互斥问题非常重要，著名的生产者-消费者例子就是一个经典的例子，任何语言多线程必学的例子。

1.同步方法就是使用synchronized关键字修饰某个方法，这个方法就是同步方法。这个同步方法(非static方法)无须显式指定同步监视器，同步方法的同步监视器是this，也就是调用该方法的对象。通过同步方法可以非常方便的实现线程安全的类，线程安全的类有如下特征：
该类的对象可以方便的被多个线程安全的访问；
每个线程调用该对象的任意方法之后都能得到正确的结果；
每个线程调用该对象的任意方法之后，该对象状态依然能保持合理状态。
2.不可变类总是线程安全的，因为它的对象状态不可改变可变类需要额外的方法来保证其线程安全。

[注]synchronized可以修饰方法，修饰代码块，但是不能修饰构造器、成员变量等。在User类中定义oper()方法，而不是直接在 run()方法中实现取钱逻辑，这种做法更符合面向对象规则。DDD设计方式，即Domain Driven Design(领域驱动设计)，认为每个类都应该是完备的领域对象，User代表用户账户，就应该提供用户账户的相关方法。通过oper()方法来执行取钱操作，而不是直接将setcash()方法暴露出来任人操作。
但是，可变类的线程安全是以降低程序的运行效率为代价的，不要对线程安全类的所有方法都进行同步，只对那些会改变竞争资源(共享资源)的方法进行同步。同时，可变类有两种运行环境：单线程环境和多线程环境， 则应该为可变类提供两种版本，即线程安全版本和线程不安全版本。如JDK提供的StringBuilder在单线程环境下保证更好的性能，StringBuffer可以保证多线程安全。

二.同步块

对于同步，除了同步方法外，还可以使用同步代码块，有时候同步代码块会带来比同步方法更好的效果。
追其同步的根本的目的，是控制竞争资源的正确的访问，因此只要在访问竞争资源的时候保证同一时刻只能一个线程访问即可，因此Java引入了同步代码快的策略，以提高性能。
为了解决并发操作可能造成的异常，java的多线程支持引入了同步监视器来解决这个问题，使用同步监视器的通用方法就是同步代码块。其语法如下：
synchronized(obj){
//同步代码块
}
其中obj就是同步监视器，它的含义是：线程开始执行同步代码块之前，必须先获得对同步监视器的锁定。任何时刻只能有一个线程可以获得对同步监视器的锁定，当同步代码块执行完成后，该线程会释放对该同步监视器的锁定。虽然java程序允许使用任何对象作为同步监视器，但 是同步监视器的目的就是为了阻止两个线程对同一个共享资源进行并发访问，因此通常推荐使用可能被并发访问的共享资源充当同步监视器。

在上个例子的基础上，对oper方法做了改动，由同步方法改为同步代码块模式，程序的执行逻辑并没有问题。

/** 
* Java线程：线程的同步-同步代码块
* 
* @author leizhimin 2009-11-4 11:23:32 
*/ 
publicclass Test {
        publicstaticvoid main(String[] args) {
                User u = new User("张三", 100);
                MyThread t1 = new MyThread("线程A", u, 20);
                MyThread t2 = new MyThread("线程B", u, -60);
                MyThread t3 = new MyThread("线程C", u, -80);
                MyThread t4 = new MyThread("线程D", u, -30);
                MyThread t5 = new MyThread("线程E", u, 32);
                MyThread t6 = new MyThread("线程F", u, 21);

                t1.start(); 
                t2.start(); 
                t3.start(); 
                t4.start(); 
                t5.start(); 
                t6.start(); 
        } 
} 

class MyThread extends Thread { 
        private User u;
        privateint y = 0;

        MyThread(String name, User u, int y) {
                super(name);
                this.u = u;
                this.y = y;
        } 

        publicvoid run() {
                u.oper(y); 
        } 
} 

class User { 
        private String code;
        privateint cash;

        User(String code, int cash) {
                this.code = code;
                this.cash = cash;
        } 

        public String getCode() {
                return code;
        } 

        publicvoid setCode(String code) {
                this.code = code;
        } 

        /** 
         * 业务方法
         * 
         * @param x 添加x万元
         */ 
        public void oper(int x) {
                try {
                        Thread.sleep(10L); 
                        synchronized (this) {
                                this.cash += x;
                                System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"运行结束，增加“" + x +"”，当前用户账户余额为：" + cash);
                        } 
                        Thread.sleep(10L); 
                } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace(); 
                } 
        } 

        @Override 
        public String toString() {
                return"User{" +
                                "code='" + code + '\'' +
                                ", cash=" + cash +
                                '}'; 
        } 
}

线程E运行结束，增加“32”，当前用户账户余额为：132
线程B运行结束，增加“-60”，当前用户账户余额为：72
线程D运行结束，增加“-30”，当前用户账户余额为：42
线程F运行结束，增加“21”，当前用户账户余额为：63
线程C运行结束，增加“-80”，当前用户账户余额为：-17
线程A运行结束，增加“20”，当前用户账户余额为：3

注意：

在使用synchronized关键字时候，应该尽可能避免在synchronized方法或synchronized块中使用sleep或者yield方法，因为synchronized程序块占有着对象锁，你休息那么其他的线程只能一边等着你醒来执行完了才能执行。不但严重影响效率，也不合逻辑。

同样，在同步程序块内调用yeild方法让出CPU资源也没有意义，因为你占用着锁，其他互斥线程还是无法访问同步程序块。当然与同步程序块无关的线程可以获得更多的执行时间。

三 释放同步监视器的锁定

1.任何线程进入同步代码块，同步方法之前，必须先获得对同步监视器的锁定，那么如何释放对同步监视器的锁定呢，线程会在以下几种情况下释放同步监视器：
当前线程的同步方法、同步代码块执行结束，当前线程即释放同步监视器；
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、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，导致了该代码块、方法的异常结束；
当前线程执行同步代码块或同步方法时，程序执行了同步监视器对象的wait()方法，则当前线程暂停，并释放同步监视器；
2.以下几种情况，线程不会释放同步监视器：
线程执行同步代码块或同步方法时，程序调用Thread.sleep(),Thread.yield()方法来暂停当前线程的执行，当前线程不会释放同步监视器；
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，该线程不会释放同步监视器，当然，程序应尽量避免使用suspend()和resume()方法来控制线程

四同步锁

1.Java5开始，Java提供了一种功能更加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，这里的同步锁由Lock对象充当。
Lock 对象提供了比synchronized方法和synchronized代码块更广泛的锁定操作，Lock是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。通常， 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该先获得Lock对象。
某些锁可能允许对共享资源并发访问，如ReadWriteLock(读写锁)，Lock,ReadWriteLock是Java5提供的两个根接口，并为 Lock提供了ReentrantLock实现类，为ReadWriteLock提供了ReentrantReadWriteLock实现类。在 Java8中提供了新型的StampLock类，在大多数场景下它可以替代传统的ReentrantReadWriteLock。 ReentrantReadWriteLock为读写操作提供了三种锁模式：Writing,ReadingOptimistic,Reading。
2.在实现线程安全的控制中，比较常用的是ReentrantLock(可重入锁)。
具体代码：
线程同步 synchronized 同步代码块 同步方法 同步锁

使用Lock与使用同步代码有点相似，只是使用Lock时可以显式使用Lock对象作为同步锁，而使用同步方法时系统隐式使用当前对象作为同步监视器。使用 Lock时每个Lock对象对应一个Account对象，一样可以保证对于同一个Account对象，同一个时刻只能有一个线程进入临界区。Lock提供 了同步方法和同步代码块所没有的其他功能，包括使用非块结构的tryLock()方法，以及试图获取可中断锁的lockInterruptibly()方法，还有获取超时失效锁的tryLock(long,TimeUnit)方法。
ReentrantLock可重入锁的意思是，一个线程可以对已被加锁的ReentrantLock锁再次加锁，ReentrantLock对象会维持一个计数器来追踪lock()方法的嵌套调用，线程在每次调用lock()加锁后，必须显式调用unlock()来释放锁，所以一段被锁保护的代码可以调用另一个被相同锁保护的方法。

参考（转载）博客
Java线程详解
线程同步 synchronized 同步代码块 同步方法 同步锁

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