java 线程四 线程同步

2022-10-28 09:42:58

线程同步(重点)

  • 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,也带来了访问冲突问题﹐为了保证数据在方法中被访问时的正确性,在访问时加入锁机制synchronized,当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.存在以下问题:

    1. 一个线程持有锁会导致其他所有需要此锁的线程挂起(损失性能);

    2. 在多线程竞争下,加锁,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;

    3. 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.

不安全案例

买票

public class UnsafeBuyTicket {
    public static void main(String[] args) {
        BuyTicket station = new BuyTicket();
        new Thread(station,"我").start();
        new Thread(station,"你").start();
        new Thread(station,"黄牛").start();
    }
}
class BuyTicket implements Runnable{
    private int ticketNums = 10;
    boolean flag =true;
    @Override
    public void run() {
        while (flag){
            buy();
        }
    }
    private void buy(){
        if (ticketNums<=0){
            flag = false;
            return;
        }
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"拿到第"+ticketNums--+"张");
    }
}

数组

public class UnsafeList {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread(()->{
                list.add(Thread.currentThread().getName());
            }).start();
        }
        System.out.println(list.size());
    }
}

取钱

public class UnsafeBank {
    public static void main(String[] args) {
        //账户
        Account account = new Account(100, "结婚基金");
​
        Drawing you = new Drawing(account,50,"你");
        Drawing girlfriend = new Drawing(account,100,"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;//账户
    int drawingMoney;//取了多少钱
    int nowMoney;//现在手里有多少钱
    public Drawing(Account account,int drawingMoney,String name){
        super(name);
        this.account = account;
        this.drawingMoney = drawingMoney;
    }
    //取钱
    @Override
    public void run() {
        //判断有无钱
        if (account.money - drawingMoney<0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"钱不够,取不了");
            return;
        }
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //卡内余额 = 余额 - 取的钱
        account.money = account.money - drawingMoney;
        //手里的钱
        nowMoney = nowMoney + drawingMoney;
        System.out.println(account.name+"余额为:"+account.money);
        //此处Thread.currentThread().getName() = this.getName()
        System.out.println(this.getName()+"手里的钱:"+nowMoney);
    }
}

同步方法

监视的对象,是需要增删改查的对象

  • 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synchronized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，方法一旦执行, 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

  • 方法里面需要修改的内容才需要锁,锁的太多,浪费资源

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 ,就是这个对象本身﹐或者是class[反射中讲解]

  • 同步监视器的执行过程

    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

修改案例

仅需要在对应方法前加上synchronized关键字即可

买票
//synchronized同步方法,默认锁的是this
private synchronized void buy(){
    if (ticketNums<=0){
        flag = false;
        return;
    }
    try {
        Thread.sleep(100);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"拿到第"+ticketNums--+"张");
}
数组
public class UnsafeList {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread(()->{
                synchronized (list){
                    list.add(Thread.currentThread().getName());
                }
            }).start();
        }
        //为了防止线程没运行完,而主线程运行完了就直接输出的情况
        //这里需要添加sleep
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(list.size());
    }
}
取钱
//取钱
@Override
public void run() {
    //锁涉及到增删改的那个对象
    //此处因为Drawing不涉及增删改,因此使用同步块去锁住涉及的对象
    synchronized (account){
        //判断有无钱
        if (account.money - drawingMoney<0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"钱不够,取不了");
            return;
        }
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //卡内余额 = 余额 - 取的钱
        account.money = account.money - drawingMoney;
        //手里的钱
        nowMoney = nowMoney + drawingMoney;
        System.out.println(account.name+"余额为:"+account.money);
        //此处Thread.currentThread().getName() = this.getName()
        System.out.println(this.getName()+"手里的钱:"+nowMoney);
    }
}

扩充:

CopyOnWriteArrayList类, 该类线程安全,属于并发领域

//测试JUC安全类型的集合
public class TestJUC {
    public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread(()->{
                list.add(Thread.currentThread().getName());
            }).start();
        }
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(list.size());
    }
}

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”时,就可能会发生“死锁”的问题.

  • 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，对已获得的资源保持不放。

    3. 不剥夺条件:进程已获得的资源，在末使用完之前，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。

上面列出了死锁的四个必要条件，我们只要想办法破其中的任意一个或多个条件就可以避免死锁发生

//多个线程互相占据对方需要的资源,形成僵持
public class DeadLock {
    public static void main(String[] args) {
        Makeup g1 = new Makeup(0,"灰姑凉");
        Makeup g2 = new Makeup(1,"白雪");
        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来保证只有一份
    static Lipstick lipstick = new Lipstick();
    static Mirror mirror = new Mirror();
​
    int choice;//选择
    String girlName;//使用化妆品的人
​
    Makeup(int choice,String girlName){
        this.choice = choice;
        this.girlName = girlName;
    }
​
    @Override
    public void run() {
        try {
            makeup();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    //化妆,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){//一秒后获得镜子的锁
                    System.out.println(this.girlName+"获得镜子的锁");
                }
            }
        }else{
            synchronized (mirror){//获得镜子的锁
                System.out.println(this.girlName+"获得镜子的锁");
                Thread.sleep(2000);
​
                synchronized (lipstick){//两秒后获得口红的锁
                    System.out.println(this.girlName+"获得口红的锁");
                }
            }
        }
    }
}

解决方法

不要同时去拿一把锁

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){//一秒后获得镜子的锁
            System.out.println(this.girlName+"获得镜子的锁");
        }
    }else{
        synchronized (mirror){//获得镜子的锁
            System.out.println(this.girlName+"获得镜子的锁");
            Thread.sleep(2000);
        }
        synchronized (lipstick){//两秒后获得口红的锁
            System.out.println(this.girlName+"获得口红的锁");
        }
    }
}

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(可重入锁)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。

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{
​
    int ticketNums = 10;
    //定义lock锁
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            try {
                lock.lock();
                if (ticketNums > 0){
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(ticketNums--);
                }else {
                    break;
                }
            }finally {
                //解锁
                lock.unlock();
                //如果同步代码有异常,需要将unlock()写入finally语句块
            }
        }
    }
}

与synchronized的对比

  • 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

  • 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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