线程同步
并发:同一个对象被多个线程同时操作
处理多线程问题时，多个线程访问同一个对象，并且某些线程还想修改这个对象。
这时候我们就需要线程同步。
线程同步其实就是一种等待机制，多个需要同时访问此对象的线程进入这个对象的等待池形成队列，等待前面线程使用完毕，下一个线程再使用。
线程同步形成条件：队列+锁
由于同一进程的多个线程共享同一块存储空间，在带来方便的同时，也带来了访问冲突的问题，为了保证数据在方法中被访问的正确性，在访问时加入锁机制synchronized，在一个线程获得对象的排它锁，独占资源，其他线程必须等待，使用后释放锁即可，但存在以下问题：
- 一个线程持有锁会导致其他所有需要此锁的线程挂起
- 在多线程竞争下，加锁与释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时，引起性能问题
- 如果一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁，会导致优先级倒置，引起性能问题
并发问题案例：不安全的银行
public class UnsafeBank {
public static void main(String[] args) {
Account account = new Account(100_0000, "基金");
Drawing you = new Drawing(account, 50_0000, "你");
Drawing girlFriend = new Drawing(account, 100_0000, "女朋友");
you.start();
girlFriend.start();
}
}
class Account {
int money;
String name;
public Account(int money, String name) {
this.money = money;
this.name = name;
}
}
class Drawing extends Thread {
Account account;
int drawingMoney;
int nowMoney;
public Drawing(Account account, int drawingMoney, String name) {
super(name);
this.account = account;
this.drawingMoney = drawingMoney;
}
@Override
public void run() {
//判断有没有钱
if (account.money - drawingMoney < 0) {
System.out.println(this.getName() + "Not enough money!");
return;
}
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//卡内余额
account.money -= drawingMoney;
nowMoney += drawingMoney;
System.out.println(account.name + "余额为" + account.money);
System.out.println(this.getName() + "手里的钱" + nowMoney);
}
}
执行结果
基金余额为-500000
你手里的钱500000
基金余额为-500000
女朋友手里的钱1000000
同步方法及同步块
由于我们可以通过private关键字来保证数据对象只能被方法访问，所以我们只需要针对方法提出一套机制，这套机制就是sunchronized关键字，它包括两种用法：synchronized方法和synchronized块。
同步方法：public synchronized void method(int args) {}
synchronized方法控制对“对象”的访问，每个对象对应一把锁，每个synchronized方法都必须获得调用该方法的对象的锁才能执行，否则线程会阻塞，方法一执行，就独占该锁，直到该方法返回才释放锁，后面被阻塞的线程才能获得这个锁，继续执行。
缺陷：若将一个大的方法申明为synchronized将会影响效率
synchronized默认锁this，是这个类本身，所以如果要对Account上锁则需要使用同步块:
- 同步块：synchronized(Obj){}
- Obj称之为同步监视器
- Obj可以是任何对象，但是推荐使用共享资源作为同步监视器
- 同步方法中无需指定同步监视器，因为同步方法的同步监视器就是this，是对象本身，或者是class
- 同步监视器执行过程
- 1.第一个线程访问，锁定同步监视器，执行其中代码
- 2.第二个线程访问，发现同步监视器被锁定，无法访问
- 3.第一个线程访问完毕，解锁同步监视器
- 4.第二个线程访问，发现同步监视器没有锁，然后锁定并访问
public void run() {
synchronized (account) {
//判断有没有钱
if (account.money - drawingMoney < 0) {
System.out.println(this.getName() + "钱不够了！");
return;
}
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//卡内余额
account.money -= drawingMoney;
nowMoney += drawingMoney;
System.out.println(account.name + "余额为" + account.money);
System.out.println(this.getName() + "手里的钱" + nowMoney);
}
}
死锁
多个线程各自占有一些共享资源，并且互相等待其他线程占有的资源才能运行，而导致两个或者多个线程都在等待对方释放资源，都停止执行的情形。某一个同步块同时拥有“两个以上对象的锁”，就可能发生“死锁”问题。
//死锁：多个线程互相拥有对方需要的资源，然后形成僵持
public class DeadLock {
public static void main(String[] args) {
Makeup g1 = new Makeup(0, "灰姑娘");
Makeup g2 = new Makeup(1, "白雪公主");
g1.start();
g2.start();
}
}
//口红
class LipStick {
}
//镜子
class Mirror {
}
class Makeup extends Thread {
//需要的资源只有一份，用static保证只有一份
static LipStick lipStick = new LipStick();
static Mirror mirror = new Mirror();
int choice;//选择
String girlName;//使用化妆品的人
public Makeup(int choice, String girlName) {
this.choice = choice;
this.girlName = girlName;
}
@Override
public void run() {
try {
makeup();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//互相持有对方的锁，需要拿到对方的资源
private void makeup() throws InterruptedException {
if (choice == 0) {
synchronized (lipStick) {//获得口红的锁
System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");
Thread.sleep(1000);
synchronized (mirror) {//一秒后想获得镜子
System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
}
}
} else {
synchronized (mirror) {//获得口红的锁
System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
Thread.sleep(2000);
synchronized (lipStick) {//一秒后想获得镜子
System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");
}
}
}
}
}
产生死锁的四个必要条件：
1.互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用
2.请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对以获得的资源保持不放。
3.不剥夺条件：进程已获得的资源，在位置用完之前，不能强行剥夺。
4.循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
Lock(锁)
- 从JDK 5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制——通过显示顶底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，可以显示加锁，释放锁
//测试Lock锁
public class TestLock {
public static void main(String[] args) {
TestLock2 testLock2 = new TestLock2();
new Thread(testLock2).start();
new Thread(testLock2).start();
new Thread(testLock2).start();
}
}
class TestLock2 implements Runnable {
private int ticketNum = 10;
//定义lock锁
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
while (true) {
try {
lock.lock();//加锁
if (ticketNum > 0) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(ticketNum--);
} else break;
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();//解锁
}
}
}
}
synchronized与Lock的对比
- Lock是显示锁(手动开启和关闭锁，不能忘记关闭锁)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)
线程协作(生产者消费者模式)
- 应用场景：生产者和消费者问题
- 假设仓库中只能存放一件产品，生产者将生产出来的产品放入仓库，消费者将仓库中产品取走消费
- 如果仓库中没有产品，则生产者将产品放入仓库，否则停止生产并等待，知道仓库中的产品被消费者取走为止
- 如果仓库中方有产品，则消费者可以将产品取走消费，否则停止消费并等待，直到仓库中再次放入产品为止
这是一个线程同步问题，生产者和消费者共享同一个资源，并且生产者和消费者之间相互依赖，互为条件
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管程法
并发协作模型“生产者/消费者模式”—>管程法
- 生产者：负责生产数据的模块(可能是方法，对象，线程，进程)；
- 消费者：负责处理数据的模块(可能是方法，对象，线程，进程)；
- 缓冲区：消费者不能直接使用生产者的数据，它们之间有个“缓冲区”
生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据
//测试：生产者消费者模型-->利用缓冲区解决：管程法
//生产者，消费者，产品，缓冲区
public class TestPC {
public static void main(String[] args) {
SynContainer synContainer = new SynContainer();
new Producer(synContainer).start();
new Consumer(synContainer).start();
}
}
//生产者
class Producer extends Thread {
SynContainer container;
public Producer(SynContainer container) {
this.container = container;
}
//生产
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("生产了第" + i + "只鸡");
container.push(new Chicken(i));
}
}
}
//消费者
class Consumer extends Thread {
SynContainer container;
public Consumer(SynContainer container) {
this.container = container;
}
//消费
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("消费了第" + container.pop().id + "只鸡");
}
}
}
class Chicken {
int id;
public Chicken(int id) {
this.id = id;
}
}
//缓冲区
class SynContainer {
Chicken[] chickens = new Chicken[10];//容器大小
int count = 0;//容器计数器
//生产者放入产品
public synchronized void push(Chicken chicken) {
//如果容器满了，等待消费者消费
while (count >= chickens.length) {
//通知消费者消费，生产等待
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//如果容器没满，需要丢入产品
chickens[count] = chicken;
count++;
//可以通知消费者消费了
this.notifyAll();
}
//消费者消费产品
public synchronized Chicken pop() {
//判断能否消费
while (count == 0) {
//等待生产者生产，消费者等待
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//如果可以消费
count--;
Chicken chicken = chickens[count];
//吃完了，通知消费者生产
this.notifyAll();
return chicken;
}
}
信号灯法
//测试：生产者消费者模型-->利用缓冲区解决：信号灯法
public class TestPC2 {
public static void main(String[] args) {
TV tv = new TV();
new Player(tv).start();
new Watcher(tv).start();
}
}
//生产者-->演员
class Player extends Thread {
TV tv = new TV();
public Player(TV tv) {
this.tv = tv;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
if (i % 2 == 0) {
this.tv.play("看B站");
} else {
this.tv.play("看小说");
}
}
}
}
//消费者-->观众
class Watcher extends Thread {
TV tv = new TV();
public Watcher(TV tv) {
this.tv = tv;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
tv.watch();
}
}
}
//产品-->节目
class TV {
//演员表演，观众等待
//观众观看，演员等待
String voice;//表演的节目
boolean flag = true;//信号灯
//表演
public synchronized void play(String voice) {
if (!flag) {
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("演员表演了：" + voice);
//通知观众观看
this.notifyAll();
this.voice = voice;
//改变信号灯
this.flag = !this.flag;
}
//观看
public synchronized void watch() {
if (flag) {
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("观众观看了：" + voice);
//通知演员表演
this.notifyAll();
//改变信号灯
this.flag = !this.flag;
}
}
线程池
背景：经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大。
思路：提前创建多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。类似生活中的公共交通工具。
好处：
- 提高响应速度(减少了创建新线程的时间)
- 降低资源消耗(重复利用线程池中的资源，不需要每次都构建)
-
便于线程管理
- corePoolSize：核心池的大小
- maximumPoolSize：最大线程数
- keepAliveTime：线程没有任务时最多保持多长时间后会终止
-
使用线程池
- JDK 5.0起提供了线程池相关API：ExecutorService和Executors
- ExecutorService：真正的线程池接口。常见子类ThreadPoolExecutor
- void execute(Tunnable command)：执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行Runnable
- <T>Future <T>submit(Callable<T> task)：执行任务，有返回值，一般用来执行Callable
- void shutdown()：关闭线程池
- Executors：工具类、线程池的工厂类，用于创建并返回不同类型的线程池
//测试线程池
public class TestPool {
public static void main(String[] args) {
//1.创建线程池
//newFixedThreadPool参数为线程池大小
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
//施行
service.execute(new MyThread());
service.execute(new MyThread());
service.execute(new MyThread());
service.execute(new MyThread());
//2.关闭连接
service.shutdown();
}
}
class MyThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
}
}
