Java多线程之线程同步【synchronized、Lock、volatitle】

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线程同步

线程同步:当有一个线程在对内存进行操作时,其他线程都不可以对这个内存地址进行操作,直到该线程完成操作, 其他线程才能对该内存地址进行操作,而其他线程又处于等待状态,实现线程同步的方法有很多。

为什么要创建多线程?

在一般情况下,创建一个线程是不能提高程序的执行效率的,所以要创建多个线程。

  • 为什么要线程同步

    • 多个线程同时运行的时候可能调用线程函数,在多个线程同时对同一个内存地址进行写入,由于CPU时间调度上的问题,写入数据会被多次的覆盖,所以就要使线程同步。

    • 例如:我们去银行存钱,那肯定是我们银行卡里原本的钱加上要存入的钱。但是在你存钱的同时你的朋友在给你的银行卡转钱,这是两个线程,这两个线程同时拿到了银行卡的本金,那么这两个线程最后都会返回一个总金额,那这两个总金额都是不正确的,只有这两次交易有一个先后顺序才行,这就是线程同步的一个原因。

线程同步是意思

  • 同步就是协同步调,按预定的先后次序进行运行。如:你做完,我再做
    • 错误理解:“同”字从字面上容易理解为一起动作,其实不是,“同”字应是指协同、协助、互相配合。
    • 正确理解: 所谓同步,就是在发出一个功能调用时,在没有得到结果之前,该调用就不返回,同时其它线程也不能调用这个方法。按照这个定义,其实绝大多数函数都是同步调用。但是一般而言,我们在说同步、异步的时候,特指那些需要其他部件协作或者需要一定时间完成的任务。
    • 在多线程编程里面,一些敏感数据不允许被多个线程同时访问,此时就使用同步访问技术,保证数据在任何时刻,最多有一个线程访问,以保证数据的完整性。

线程同步作用

  • 线程有可能和其他线程共享一些资源,比如,内存,文件,数据库等。
  • 当多个线程同时读写同一份共享资源的时候,可能会引起冲突。这时候,我们需要引入线程“同步”机制,即各位线程之间要有个先来后到,不能一窝蜂挤上去抢作一团。
  • 线程同步的真实意思和字面意思恰好相反。线程同步的真实意思,其实是“排队”:几个线程之间要排队,一个一个对共享资源进行操作,而不是同时进行操作

基本上所有解决线程安全问题的方式都是采用“序列化临界资源访问”的方式,即在同一时刻只有一个线程操作临界资源,操作完了才能让其他线程进行操作,也称作同步互斥访问。

在Java中一般采用synchronized和Lock来实现同步互斥访问。

常用方法

Synchronized关键字

首先我们先来了解一下互斥锁,
互斥锁:就是能达到互斥访问目的的锁。

如果对一个变量加上互斥锁,那么在同一时刻,该变量只能有一个线程能访问,即当一个线程访问临界资源时,其他线程只能等待。

在Java中,每一个对象都有一个锁标记(monitor),也被称为监视器,当多个线程访问对象时,只有获取了对象的锁才能访问。

在我们编写代码的时候,可以使用synchronized修饰对象的方法或者代码块,当某个线程访问这个对象synchronized方法或者代码块时,就获取到了这个对象的锁,这个时候其他对象是不能访问的,只能等待获取到锁的这个线程执行完该方法或者代码块之后,才能执行该对象的方法。

synchronized添加到代码块位置

我们先写一个不加Synchronized的多线程代码,这段代码是创建两个线程,这段代码是创建两个线程分别输出五个数。
多次运行可以发现结果每次不一样,这就导致了不确定性。我们给他加上同步方法会发现一个输出完之后另一个才会输出,这就可以空值共享资源不能同时被两个线程得到。

package hello;

public class Hello {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MyThread myThread = new MyThread();
        Thread thread = new Thread(myThread);
        Thread thread1 = new Thread(myThread);
        thread.start();
        thread1.start();
    }
}

class OutputData{
    //定义输出方法
    public void output(Thread thread){
        for (int i=0;i<5;i++){
            System.out.println(thread.getName()+":"+"输出"+i);
        }
    }
}

class MyThread implements Runnable{
    OutputData inserData = new OutputData();

    public void run(){
        inserData.output(Thread.currentThread());
    }
}
直接添加到方法上

我们在OutputData类里面加入synchronized之后在运行就可以看到结果每次都是0123401234

class OutputData{
    //定义输出方法
    public synchronized void output(Thread thread){
        for (int i=0;i<5;i++){
            System.out.println(thread.getName()+":"+"输出"+i);
        }
    }
}
添加在代码块

其实上面的代码还可以这样加,这个里面和上面的原理是一样的。

class OutputData{
    //定义输出方法
    public void output(Thread thread){
        //this就是当前对象
        synchronized (this) {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                System.out.println(thread.getName() + ":" + "输出" + i);
            }
        }
    }
}

释放锁时机

如果一个方法或者代码块被synchronized关键字修饰,当线程获取到该方法或代码块的锁,其他线程是不能继续访问该方法或代码块的。
而其他线程要能访问该方法或代码块,就必须要等待获取到锁的线程释放这个锁,而在这里释放锁只有两种情况:

  • 线程执行完代码块,自动释放锁;
  • 程序报错,jvm让线程自动释放锁。

Lock锁同步

上面我们已经说了synchronized锁释放的时机
但是可能会有一种情况,当一个线程获取到对象的锁,然后在执行过程中因为一些原因(等待IO,调用sleep方法)被阻塞了,这个时候锁还在被阻塞的线程手中,而其他线程这个时候除了等之外,没有任何办法,我们想一想这样子会有多影响程序的效率。因此就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去(比如只等待一定的时间或者能够响应中断),通过Lock就可以办到。

在比如,当多个线程操作同一个文件的时候,同时读写是会冲突的,同时写也是会冲突的,但是同时读是不会发生冲突的,而我们如果用synchronized来实现同步,就会出现一个问题:

如果多个线程都只是进行读操作,所以当一个线程在进行读操作时,其他线程只能等待无法进行读操作。
因此就需要一种机制来使得多个线程都只是进行读操作时,线程之间不会发生冲突,而通过Lock就可以办到。
总的来说Lock要比synchronized提供的功能更多,可定制化的程度也更高,Lock不是Java语言内置的,而是一个类。

方法解释

先看一下Lock接口的方法
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  • lock()、tryLock()和lockInterruptibly()方法是用来获取锁的
  • unlock()方法是用来释放锁的。
  • tryLock()顾名思义,是用来尝试获取锁的,并且该方法有返回值,表示获取成功与否,获取成功返回true,失败返回false,从方法可以发现,该方法如果没有获取到锁时不会继续等待的,而是会直接返回值。
  • tryLock()的重载方法tryLock(long time, TimeUnit unit)功能类似,只是这个方法会等待一段时间获取锁,如果过了等待时间还未获取到锁就会返回false,如果在等待时间之内拿到锁则返回true。

首先lock()方法是平常使用得最多的一个方法,就是用来获取锁。如果锁已被其他线程获取,则进行等待。

由于在前面讲到如果采用Lock,必须主动去释放锁,并且在发生异常时,不会自动释放锁。因此一般来说,使用Lock必须在try{}catch{}块中进行,并且将释放锁的操作放在finally块中进行,以保证锁一定被被释放,防止死锁的发生。

一般格式:

        Lock lock = ...;
        lock.lock();
        try {
            //处理任务
        }catch (Exception e){
            //捕捉异常
        }finally{
            lock.unlock();
        }

使用Lock.lock()获取锁

package hello;

import javax.sound.sampled.FloatControl;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Hello {


    public static void main(String[] args) {
        Lock lock = new ReentrantLock();

        OutputData outputData = new OutputData();
        new Thread(){
            public void run(){
                outputData.output(Thread.currentThread(),lock);
            };
        }.start();


        new Thread(){
            public void run(){
                outputData.output(Thread.currentThread(),lock);
            };
        }.start();


    }
}


class OutputData{
    public void output(Thread thread,Lock lock){
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
            Thread.sleep(100);//加这个睡眠是为了结果效果明显
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
            lock.unlock();
        }

    }
}

使用tryLock()获取锁

把OutPutData类里面的output方法修改一下就可以了

class OutputData{
    public void output(Thread thread,Lock lock){
        if(lock.tryLock()){
            try {
                System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
                Thread.sleep(100);//加这个睡眠是为了结果效果明显
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }finally {
                System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
                lock.unlock();
            }
        }else{
            System.out.println(thread.getName()+"获取锁失败");
        }

    }
}

volatile同步实现

volatile含义和特点
我们知道每个线程运行的时候都有自己的工作内存,会把变量拷贝到自己的缓存中去,一般情况下你在自己缓存修改的变量不会立即重新写入主内存,这就导致类多线程同步问题,那么volatile关键字的特点是:

  • 当一个共享变量被volatile修饰时,它就具备了“可见性”,即这个变量被一个线程修改时,这个改变会立即被其他线程知道。就是你在这个线程修改了这个变量,另外的线程会立刻知道,也改变。
  • 当一个共享变量被volatile修饰时,会禁止“指令重排序”

volatile关键字会产生什么效果

  • 使用volatile关键字会强制将变量的修改的值立即写至主内存;
  • 使用volatile关键字,当线程对某个变量(这个变量定义为V1)修改时,会强制将所有用到变量V1的线程对应的缓存中V1的缓存行置为无效。
  • 由于线程的V1缓存行无效,所以在运行时线程会读取主存中V1变量的值。
  • 所以到最后线程读取到的就是V1最新的值

volatile应用示例

这段代码可以看出我们并没给有加锁,但是这个int变量sum还是按顺序加的,说明他在改变之后立即就把主内存里的变量改变了。也算是一种同步方式吧。

package hello;

public class Hello {


    public static void main(String[] args) {
        AddClass addClass = new AddClass();
        new Thread() {
            public void run(){
                for (int j=0;j<100;j++){
                    addClass.add();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+addClass.sum);
                }
            }
        }.start();
        new Thread(){
            public void run(){
                for (int j=0;j<100;j++){
                    addClass.add();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+addClass.sum);
                }
            }
        }.start();
    }
}

class  AddClass{
    public volatile  int sum = 0;
    public void add(){
        sum++;
    }
}

多线程同步小应用

火车站买票

package hello;

public class Hello {


    public static void main(String[] args) {
            //实例化站台对象,
            Station station1=new Station();
            Station station2=new Station();
            Station station3=new Station();

            // 让每一个站台对象各自开始工作
            station1.start();
            station2.start();
            station3.start();
        }
    }


class Station extends Thread  {
    static volatile int p = 20;
    static Object ob = new Object();
    public void run() {
        while (p > 0) {
            synchronized (ob) {
                if (p > 0) {
                    System.out.println("卖出了第" + p + "张票");

                    p = p - 1;
                }
            }
            synchronized (this) {
                if (p == 0) {
                    System.out.println("票卖完了");
                }
            }
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (Exception e) {

            }
        }

    }
}


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