线程安全

线程安全,是指每次运行结果和单线程运行的结果是一样的而且其他的变量的值也和预期的是一样的。

或者说一个类或者程序所提供的接口,对于线程来说是原子操作,或者多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性,也就是说我们不用考虑同步的问题。

线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的,若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作,而无写操作,一般来说,这个全局变量是线程安全的;若有多个线程同时执行写操作,一般都需要考虑线程同步,否则就可能影响线程安全。

 

为何要使用同步?

java允许多线程并发控制,当多个线程同时操作一个可共享的资源变量时(如数据的增删改查),

将会导致数据不准确,相互之间产生冲突,因此加入同步锁以避免在该线程没有完成操作之前,被其他线程的调用,从而保证了该变量的唯一性和准确性。

 

实现线程同步的七种方法

1. synchronized 同步方法

2. synchronized 同步代码块 (推荐

3. 使用特殊域变量(volatile)实现线程同步

4. 使用重入锁ReentrantLock实现线程同步

5. 使用局部变量ThreadLocal实现线程同步

6. 使用阻塞队列LinkedBlockingQueue实现线程同步

7. 使用原子变量atomic实现线程同步

 

1. synchronized 同步方法

即有synchronized关键字修饰的方法。

代码如:public synchronized void save() {}

注: synchronized关键字也可以修饰静态方法,此时如果调用该静态方法,将会锁住整个类

由于java的每个对象都有一个内置锁,当用此synchronized关键字修饰方法时,内置锁会保护整个方法。在调用该方法前,需要获得内置锁,否则就处于阻塞状态。

 

2. synchronized 同步代码块

即有synchronized关键字修饰的语句块。

代码如:synchronized(object) {}

注:同步是一种高开销的操作,因此应该尽量减少同步的内容。

被该synchronized关键字修饰的语句块,会自动被加上内置锁,从而实现同步

通常没有必要同步整个方法,使用synchronized代码块同步关键代码即可。

代码实例:

package com.xhj.thread;

    /**
     * 线程同步的运用
     * 
     * @author XIEHEJUN
     * 
     */
    public class SynchronizedThread {

        class Bank {

            private int account = 100;

            public int getAccount() {
                return account;
            }

            /**
             * 用同步方法实现
             * 
             * @param money
             */
            public synchronized void save(int money) {
                account += money;
            }

            /**
             * 用同步代码块实现
             * 
             * @param money
             */
            public void save1(int money) {
                synchronized (this) {
                    account += money;
                }
            }
        }

        class NewThread implements Runnable {
            private Bank bank;

            public NewThread(Bank bank) {
                this.bank = bank;
            }

            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    // bank.save1(10);
                    bank.save(10);
                    System.out.println(i + "账户余额为:" + bank.getAccount());
                }
            }

        }

        /**
         * 建立线程,调用内部类
         */
        public void useThread() {
            Bank bank = new Bank();
            NewThread new_thread = new NewThread(bank);
            System.out.println("线程1");
            Thread thread1 = new Thread(new_thread);
            thread1.start();
            System.out.println("线程2");
            Thread thread2 = new Thread(new_thread);
            thread2.start();
        }

        public static void main(String[] args) {
            SynchronizedThread st = new SynchronizedThread();
            st.useThread();
        }

    }

 

3. 使用特殊域变量(volatile)实现线程同步

volatile关键字和synchronized关键字一样,在Java多线程开发中,是一道必须要跨越的槛。

a. volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制

b. 使用volatile修饰域,相当于告诉虚拟机该域可能会被其他线程更新

c. 因此每次使用该域就要重新计算,而不是使用寄存器中的值

d. volatile不会提供任何原子操作,它也不能用来修饰final类型的变量

例如:在上面的例子当中,只需在account前面加上volatile修饰,即可实现线程同步。

代码实例:

// 只给出要修改的代码,其余代码与上同
class Bank {
    //需要同步的变量加上volatile
    private volatile int account = 100;

    public int getAccount() {
        return account;
    }
    //这里不再需要synchronized 
    public void save(int money) {
        account += money;
    }
}

注:多线程中的非同步问题主要出现在对域的读写上,如果让域自身避免这个问题,则就不需要修改操作该域的方法。用final域,有锁保护的域和volatile域可以避免非同步的问题。

   

强烈推荐米扑博客:Java 关键字 volatile 原理深入理解

 

4. 使用重入锁ReentrantLock实现线程同步

在JavaSE5.0中新增了一个java.util.concurrent包来支持同步。

ReentrantLock类是可重入、互斥、实现了Lock接口的锁,它与使用synchronized方法和synchronized块,具有相同的基本行为和语义,并且扩展了其能力

ReenreantLock类的常用方法有:

    ReentrantLock() : 创建一个ReentrantLock实例

    lock() : 获得锁

    unlock() : 释放锁

注:ReentrantLock()还有一个可以创建公平锁的构造方法,但由于能大幅度降低程序运行效率,不推荐使用

例如:在上面例子的基础上,改写后的代码为:

代码实例:

// 只给出要修改的代码,其余代码与上同
class Bank {
    
    private int account = 100;
    // 需要声明这个锁
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    public int getAccount() {
        return account;
    }
    // 这里不再需要synchronized 
    public void save(int money) {
        lock.lock();
        try{
            account += money;
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }
}

注:关于Lock对象和synchronized关键字的选择:

a. 最好两个都不用,使用一种java.util.concurrent包提供的机制,能够帮助用户处理所有与锁相关的代码。

b. 如果synchronized关键字能满足用户的需求,就用synchronized,因为它能简化代码

c. 如果需要更高级的功能,就用ReentrantLock类,此时要注意及时释放锁,否则会出现死锁,通常在finally代码释放锁

       

5. 使用局部变量ThreadLocal实现线程同步

如果使用ThreadLocal管理变量,则每一个使用该变量的线程都获得该变量的副本,副本之间相互独立,这样每一个线程都可以随意修改自己的变量副本,而不会对其他线程产生影响。

ThreadLocal 类的常用方法

ThreadLocal() : 创建一个线程本地变量

get() : 返回此线程局部变量的当前线程副本中的值

initialValue() : 返回此线程局部变量的当前线程的"初始值"

set(T value) : 将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为value

例如:在上面例子基础上,修改后的代码为:

代码实例:

// 只改Bank类,其余代码与上同
public class Bank{
    // 使用ThreadLocal类管理共享变量account
    private static ThreadLocal<Integer> account = new ThreadLocal<Integer>(){
        @Override
        protected Integer initialValue(){
            return 100;
        }
    };
    public void save(int money){
        account.set(account.get()+money);
    }
    public int getAccount(){
        return account.get();
    }
}

注:ThreadLocal与同步机制

a. ThreadLocal与同步机制,都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题

b. 前者采用以"空间换时间(多个独立的变量副本)"的方法,后者采用以"时间换空间(synchronized加锁阻塞等待)"的方式

 

6. 使用阻塞队列LinkedBlockingQueue实现线程同步

前面5种同步方式都是在底层实现的线程同步,但是我们在实际开发当中,应当尽量远离底层结构。 

使用javaSE5.0版本中新增的 java.util.concurrent 包将有助于简化开发。 

本小节主要是使用LinkedBlockingQueue<E>来实现线程的同步 

LinkedBlockingQueue<E>是一个基于已连接节点的,范围任意的blocking queue。 

队列是先进先出的顺序(FIFO),关于队列以后会详细讲解~ 

LinkedBlockingQueue 类常用方法 

LinkedBlockingQueue() : 创建一个容量为Integer.MAX_VALUE的LinkedBlockingQueue 

put(E e) : 在队尾添加一个元素,如果队列满则阻塞 

size() : 返回队列中的元素个数 

take() : 移除并返回队头元素,如果队列空则阻塞 

代码实例: 实现商家生产商品和买卖商品的同步

package com.xhj.thread;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

/**
 * 用阻塞队列实现线程同步 LinkedBlockingQueue的使用
 *
 * @author XIEHEJUN
 *
 */
public class BlockingSynchronizedThread {
    /**
     * 定义一个阻塞队列用来存储生产出来的商品
     */
    private LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<Integer>();
    /**
     * 定义生产商品个数
     */
    private static final int size = 10;
    /**
     * 定义启动线程的标志,为0时,启动生产商品的线程;为1时,启动消费商品的线程
     */
    private int flag = 0;

    private class LinkBlockThread implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            int new_flag = flag++;
            System.out.println("启动线程 " + new_flag);
            if (new_flag == 0) {
                for (int i = 0; i < size; i++) {
                    int b = new Random().nextInt(255);
                    System.out.println("生产商品:" + b + "号");
                    try {
                        queue.put(b);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("仓库中还有商品:" + queue.size() + "个");
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            } else {
                for (int i = 0; i < size / 2; i++) {
                    try {
                        int n = queue.take();
                        System.out.println("消费者买去了" + n + "号商品");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("仓库中还有商品:" + queue.size() + "个");
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (Exception e) {
                        // TODO: handle exception
                    }
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        BlockingSynchronizedThread bst = new BlockingSynchronizedThread();
        LinkBlockThread lbt = bst.new LinkBlockThread();
        Thread thread1 = new Thread(lbt);
        Thread thread2 = new Thread(lbt);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

注:BlockingQueue<E>定义了阻塞队列的常用方法,尤其是三种添加元素的方法,我们要多加注意,

当队列满时:

  add()方法会抛出异常

  offer()方法返回false

  put()方法会阻塞

 

7. 使用原子变量atomic实现线程同步

需要使用线程同步的根本原因在于对普通变量的操作不是原子的

那么什么是原子操作呢?

原子操作就是指将读取变量值、修改变量值、保存变量值看成一个整体来操作

即 这几种行为要么同时完成,要么都不完成。

在java的 util.concurrent.atomic 包中提供了创建了原子类型变量的工具类,使用该类可以简化线程同步。

其中AtomicInteger 表可以用原子方式更新int的值,可用在应用程序中(如以原子方式增加的计数器),但不能用于替换Integer;可扩展Number,允许那些处理机遇数字类的工具和实用工具进行统一访问。

AtomicInteger类常用方法:

AtomicInteger(int initialValue) : 创建具有给定初始值的新的AtomicInteger

addAddGet(int dalta) : 以原子方式将给定值与当前值相加

get() : 获取当前值

代码实例:

只改Bank类,其余代码与上面第一个例子同

class Bank {
    private AtomicInteger account = new AtomicInteger(100);

    public AtomicInteger getAccount() {
        return account;
    }

    public void save(int money) {
        account.addAndGet(money);
    }
}

补充,原子操作主要有:

对于引用变量和大多数原始变量(long和double除外)的读写操作;

对于所有使用volatile修饰的变量(包括long和double)的读写操作。

 

Java 同步的应用实例:java实现同步的几种方式(总结)

知识重在总结和梳理,只有不断地去学习并运用,才能化为自己的东西。

 

本文转自:java笔记--关于线程同步(7种同步方式)

 

 

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