Java多線程（二）

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Java多線程（二） 四、線程的同步 4.1 線程同步的引入： 多線程出現了安全問題。 問題的原因： 當多條語句在操作同一個線程共用數據時，一個線程對多條語句只執行了一部分，還沒有執行完，另一個線程參與進來執行。導致共用數據的錯誤。例如：買票問題、銀行卡消費問題等等。 解決辦法： 對多條操作共用數據 ...


Java多線程（二）

目錄

四、線程的同步

4.1 線程同步的引入：

  • 多線程出現了安全問題。
  • 問題的原因： 當多條語句在操作同一個線程共用數據時，一個線程對多條語句只執行了一部分，還沒有執行完，另一個線程參與進來執行。導致共用數據的錯誤。例如：買票問題、銀行卡消費問題等等。
  • 解決辦法： 對多條操作共用數據的語句，只能讓一個線程都執行完，在執行過程中，其他線程不可以參與執行。

​ 所以，Java 對於多線程的安全問題提供了專業的解決方式：同步機制。

4.2 線程同步的方式之一：同步代碼塊

  1. 語法格式：
synchronized (對象/同步監視器){	//得到對象的鎖，才能操作同步代碼
	// 需要被同步的代碼
}

說明：

​ （1）操作共用數據的代碼，即為需要被同步的代碼。 --> 不能包含代碼多了，也不能包含代碼少了。

​ （2）共用數據：多個線程共同操作的變數。

​ （3）同步監視器，俗稱：鎖。任何一個類的對象，都可以充當鎖。

​ （4）要求：多個線程必須要共用同一把鎖。

  1. 使用同步代碼塊解決在實現 Runnable 介面的方式創建多線程的線程安全問題
//	例子：創建三個視窗賣票，總票數為100張.使用實現Runnable介面的方式
class Window1 implements Runnable{

    private int ticket = 100;
//    Object obj = new Object();
    @Override
    public void run() {
//      Object obj = new Object();
        while(true){
            // 同步代碼塊---begin
            synchronized (this){	// 此時的this：唯一的 Window1 的對象w   //方式二：synchronized (object) {

                if (ticket > 0) {

                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":賣票，票號為：" + ticket);
                    ticket--;
                } else {
                    break;
                }
            }
            // 同步代碼塊---end
        }
    }
}

public class WindowTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        Window1 w = new Window1();

        Thread t1 = new Thread(w);
        Thread t2 = new Thread(w);
        Thread t3 = new Thread(w);

        t1.setName("視窗1");
        t2.setName("視窗2");
        t3.setName("視窗3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}
  1. 使用同步代碼塊解決繼承 Thread 類的方式創建多線程的線程安全問題
class Window2 extends Thread{

    private static int ticket = 100;
//    private static Object obj = new Object();

    @Override
    public void run() {

        while(true){

            synchronized (Window2.class){//	Window2.class表示window2這一個類，只會載入一次
//       方式二：synchronized (obj){	               
//              synchronized (this){	錯誤的方式：this分別代表著t1,t2,t3三個對象

                if(ticket > 0){

                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    System.out.println(getName() + "：賣票，票號為：" + ticket);
                    ticket--;
                }else{
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

public class WindowTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        Window2 t1 = new Window2();
        Window2 t2 = new Window2();
        Window2 t3 = new Window2();

        t1.setName("視窗1");
        t2.setName("視窗2");
        t3.setName("視窗3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

4.3 線程同步的方式之二：同步方法

  1. 同步方法：即將操作共用數據的代碼完整的聲明在一個方法中，將該方法聲明為同步方法。

  2. 語法格式：

//	將synchronized放在方法聲明中，一般放在許可權符和返回類型之間，表示整個方法為同步方法
public synchronized void 方法名 (String name){ 
	// 需要被同步的代碼
}

說明：

​ （1）同步方法仍然涉及到同步監視器，只是不需要我們顯式的聲明。

​ （2）非靜態的同步方法，同步監視器是：this。

​ （3）靜態的同步方法，同步監視器是：當前類本身。

  1. 使用同步方法解決在實現 Runnable 介面的方式創建多線程的線程安全問題
class Window3 implements Runnable {

    private int ticket = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            show();
        }
    }

    private synchronized void show(){	//同步監視器：this

        if (ticket > 0) {
            
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":賣票，票號為：" + ticket);
            ticket--;
            }
    }
}

public class WindowTest3 {
    public static void main(String[] args) {
        Window3 w = new Window3();

        Thread t1 = new Thread(w);
        Thread t2 = new Thread(w);
        Thread t3 = new Thread(w);

        t1.setName("視窗1");
        t2.setName("視窗2");
        t3.setName("視窗3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}
  1. 使用同步方法解決繼承 Thread 類的方式創建多線程的線程安全問題
class Window4 extends Thread {

    private static int ticket = 100;

    @Override
    public void run() {

        while (true) {
            show();
        }
    }
    
    private static synchronized void show(){	//同步監視器：Window4.class
        //private synchronized void show(){ //同步監視器：t1,t2,t3。此種解決方式是錯誤的
        if (ticket > 0) {

            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：賣票，票號為：" + ticket);
            ticket--;
        }
    }
}


public class WindowTest4 {
    public static void main(String[] args) {
        Window4 t1 = new Window4();
        Window4 t2 = new Window4();
        Window4 t3 = new Window4();

        t1.setName("視窗1");
        t2.setName("視窗2");
        t3.setName("視窗3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

    }
}

總結：

通過上面四個售票例子可以看出：

在實現 Runnable 介面創建多線程的方式中，我們可以考慮使用 this 充當同步監視器。

而在繼承Thread類創建多線程的方式一般不使用 this 充當同步監視器，因為每個線程的 this 為該線程的實例對象，不滿足多個線程共用一把鎖，所以一般考慮用當前類本身充當。

4.4 同步的優勢與局限：

  • 優勢：解決了線程的安全問題。

  • 局限： 操作同步代碼時，只能有一個線程參與，其他線程等待。相當於是一個單線程的過程，效率低。也可能會造成死鎖問題。

4.5 線程安全的單例模式之懶漢式

public class BankTest {

}

class Bank{

    private Bank(){}

    private static Bank instance = null;

    public static Bank getInstance(){
        //方式一：效率稍差
//        synchronized (Bank.class) {
//            if(instance == null){
//                instance = new Bank();
//            }
//            return instance;
//        }
        //方式二：效率更高
        if(instance == null){
            synchronized (Bank.class) {
                if(instance == null){
                    instance = new Bank();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

/*
	方式二效率更高的原因：
	不需要每個線程都要進去同步方法裡面去，可能只有最前面幾個進程進入同步方法。
	而方式一是所有線程都要進入同步方法導致效率較低。
*/

4.6 同步鎖機制：

  • 同步機制中的鎖在《Thinking in Java》中，是這麼說的：對於併發工作，你需要某種方式來防止兩個任務訪問相同的資源（其實就是共用資源競爭）。防止這種衝突的方法就是當資源被一個任務使用時，在其上加鎖。第一個訪問某項資源的任務必須鎖定這項資源，使其他任務在其被解鎖之前，就無法訪問它了，而在其被解鎖之時，另一個任務就可以鎖定並使用它了。

  • synchronized的鎖是什麼？

    1. 任意對象都可以作為同步鎖。所有對象都自動含有單一的鎖（監視器）。

    2. 同步方法的鎖：靜態方法（類名.class）、非靜態方法（this）。

    3. 同步代碼塊：可以自己指定，很多時候也是指定為this或類名.class。

  • 註意：

    1. 必須確保使用同一個資源的多個線程共用一把鎖，否則就無法保證共用資源的安全 。
    2. 一個線程類中的所有靜態方法共用同一把鎖（類名.class），所有非靜態方法共用同一把鎖（this），同步代碼塊（指定需謹慎）。

4.7 釋放鎖的操作：

  1. 當前線程的同步方法、同步代碼塊執行結束。
  2. 當前線程在同步代碼塊、同步方法中遇到 break、return 終止了該代碼塊、該方法的繼續執行。
  3. 當前線程在同步代碼塊、同步方法中出現了未處理的 Error 或 Exception，導致異常結束。
  4. 當前線程在同步代碼塊、同步方法中執行了線程對象的 wait() 方法，當前線程暫停，並釋放鎖。

4.8 不會釋放鎖的操作：

  1. 線程執行同步代碼塊或同步方法時，程式調用 Thread.sleep()、 Thread.yield() 方法暫停當前線程的執行。

  2. 線程執行同步代碼塊時，其他線程調用了該線程的 suspend() 方法將該線程掛起，該線程不會釋放鎖（同步監視器）。

    應儘量避免使用suspend()和resume()來控制線程

4.9 線程的死鎖問題

  1. 死鎖：

    • 不同的線程分別占用對方需要的同步資源不放棄，都在等待對方放棄自己需要的同步資源，就形成了線程的死鎖。
    • 出現死鎖後，不會出現異常，不會出現提示，只是所有的線程都處於阻塞狀態，無法繼續。

  2. 解決方法：

    • 專門的演算法、原則。
    • 儘量減少同步資源的定義。
    • 儘量避免嵌套同步。

  3. 例子：

//死鎖的演示
class A {
	public synchronized void foo(B b) { //同步監視器：A類的對象：a
		System.out.println("當前線程名: " + Thread.currentThread().getName()
				+ " 進入了A實例的foo方法"); // ①
//		try {
//			Thread.sleep(200);
//		} catch (InterruptedException ex) {
//			ex.printStackTrace();
//		}
		System.out.println("當前線程名: " + Thread.currentThread().getName()
				+ " 企圖調用B實例的last方法"); // ③
		b.last();
	}

	public synchronized void last() {//同步監視器：A類的對象：a
		System.out.println("進入了A類的last方法內部");
	}
}

class B {
	public synchronized void bar(A a) {//同步監視器：b
		System.out.println("當前線程名: " + Thread.currentThread().getName()
				+ " 進入了B實例的bar方法"); // ②
//		try {
//			Thread.sleep(200);
//		} catch (InterruptedException ex) {
//			ex.printStackTrace();
//		}
		System.out.println("當前線程名: " + Thread.currentThread().getName()
				+ " 企圖調用A實例的last方法"); // ④
		a.last();
	}

	public synchronized void last() {//同步監視器：b
		System.out.println("進入了B類的last方法內部");
	}
}

public class DeadLock implements Runnable {
	A a = new A();
	B b = new B();

	public void init() {
		Thread.currentThread().setName("主線程");
		// 調用a對象的foo方法
		a.foo(b);
		System.out.println("進入了主線程之後");
	}

	public void run() {
		Thread.currentThread().setName("副線程");
		// 調用b對象的bar方法
		b.bar(a);
		System.out.println("進入了副線程之後");
	}

	public static void main(String[] args) {
		DeadLock dl = new DeadLock();
		new Thread(dl).start();

		dl.init();
	}
}

  1. 註意：

    不是程式運行成功就說明程式裡面沒有死鎖問題，很多時候出現死鎖是一個概率問題。在開發中應儘量避免死鎖情況。

4.10 線程同步的方式之三：Lock鎖

  1. 從 JDK 5.0 開始，Java提供了更強大的線程同步機制——通過顯式定義同步鎖對象來實現同步。同步鎖使用 Lock 對象充當。

  2. java.util.concurrent.locks.Lock 介面是控制多個線程對共用資源進行訪問的工具。鎖提供了對共用資源的獨占訪問，每次只能有一個線程對 Lock 對象加鎖，線程開始訪問共用資源之前應先獲得 Lock 對象。

  3. ReentrantLock 類實現了 Lock ，它擁有與 synchronized 相同的併發性和 記憶體語義，在實現線程安全的控制中，比較常用的是ReentrantLock，可以 顯式加鎖、釋放鎖。

  4. 語法：

class A{
    //1.實例化ReentrantLock
	private final ReentrantLock lock = new ReenTrantLock();
    
	public void m(){
        //2.調用鎖定方法lock()
		lock.lock();
		try{
			//保證線程安全的代碼;
		}
		finally{
            //3.調用解鎖方法：unlock()
			lock.unlock(); 
		}
	}
}

  1. （面試題）synchronized 與 Lock 的對比

    • 相同：二者都可以解決線程安全問題。
    • 不同：
      1. Lock 是顯式鎖（手動開啟和關閉鎖），synchronized 是隱式鎖，出了作用域自動釋放。
      2. Lock 只有代碼塊鎖，synchronized 有代碼塊鎖和方法鎖。
      3. 使用 Lock 鎖，JVM 將花費較少的時間來調度線程，性能更好。並且具有更好的擴展性（提供更多的子類）。

  2. 優先使用順序：

Lock —— 同步代碼塊（已經進入了方法體，分配了相應資源） —— 同步方法（在方法體之外）

4.11 （簡單介紹）公平鎖和非公平鎖

  1. 公平鎖（Fair）：加鎖前檢查是否有排隊等待的線程，優先排隊等待的線程，先來先得。

    非公平鎖（Nonfair）：加鎖時不考慮排隊等待問題，直接嘗試獲取鎖，獲取不到自動到隊尾等待。

  2. Java中的 ReentrantLock 預設的 lock() 方法採用的是非公平鎖。

//	源碼：
//	ReentrantLock當中的lock（）方法，是通過static內部類sync來進行鎖操作
public void lock() 
{
     sync.lock();
}
-------------------------------------------------------------------
//定義成final型的成員變數，在構造方法中進行初始化 
private final Sync sync;
//無參數預設非公平鎖
public ReentrantLock() 
{
    sync = new NonfairSync();
}
//根據參數初始化為公平鎖或者非公平鎖 
public ReentrantLock(boolean fair) 
{
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

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