java基礎(27):線程安全、線程同步、等待喚醒機制

来源:https://www.cnblogs.com/liuhui0308/archive/2019/10/11/11657262.html
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1. 多線程 如果有多個線程在同時運行，而這些線程可能會同時運行這段代碼。程式每次運行結果和單線程運行的結果是一樣的，而且其他的變數的值也和預期的是一樣的，就是線程安全的。 我們通過一個案例，演示線程的安全問題： 電影院要賣票，我們模擬電影院的賣票過程。假設要播放的電影是 “功夫熊貓3”，本次電影的 ...


1. 多線程

如果有多個線程在同時運行，而這些線程可能會同時運行這段代碼。程式每次運行結果和單線程運行的結果是一樣的，而且其他的變數的值也和預期的是一樣的，就是線程安全的。

我們通過一個案例，演示線程的安全問題：

電影院要賣票，我們模擬電影院的賣票過程。假設要播放的電影是 “功夫熊貓3”，本次電影的座位共100個(本場電影只能賣100張票)。

我們來模擬電影院的售票視窗，實現多個視窗同時賣 “功夫熊貓3”這場電影票(多個視窗一起賣這100張票)

需要視窗，採用線程對象來模擬；需要票，Runnable介面子類來模擬

測試類

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //創建票對象
        Ticket ticket = new Ticket();
        
        //創建3個視窗
        Thread t1  = new Thread(ticket, "視窗1");
        Thread t2  = new Thread(ticket, "視窗2");
        Thread t3  = new Thread(ticket, "視窗3");
        
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

模擬票

public class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;

    @Override
    public void run() {
        //模擬賣票
        while(true){
            if (ticket > 0) {
                //模擬選坐的操作
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在賣票:" + ticket--);
            }
        }
    }

運行結果發現：上面程式出現了問題

票出現了重覆的票

錯誤的票 0、-1

其實，線程安全問題都是由全局變數及靜態變數引起的。若每個線程中對全局變數、靜態變數只有讀操作，而無寫操作，一般來說，這個全局變數是線程安全的；若有多個線程同時執行寫操作，一般都需要考慮線程同步，否則的話就可能影響線程安全。

1.2 線程同步（線程安全處理Synchronized）

java中提供了線程同步機制，它能夠解決上述的線程安全問題。

線程同步的方式有兩種：

　　方式1：同步代碼塊

　　方式2：同步方法

1.2.1 同步代碼塊

同步代碼塊: 在代碼塊聲明上 加上synchronized

synchronized (鎖對象) {
    可能會產生線程安全問題的代碼
}

同步代碼塊中的鎖對象可以是任意的對象；但多個線程時，要使用同一個鎖對象才能夠保證線程安全。

使用同步代碼塊，對電影院賣票案例中Ticket類進行如下代碼修改：

public class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;
    //定義鎖對象
    Object lock = new Object();
    @Override
    public void run() {
        //模擬賣票
        while(true){
            //同步代碼塊
            synchronized (lock){
                if (ticket > 0) {
                    //模擬電影選坐的操作
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在賣票:" + ticket--);
                }
            }
        }
    }
}

當使用了同步代碼塊後，上述的線程的安全問題，解決了。

1.2.2 同步方法

同步方法：在方法聲明上加上synchronized

public synchronized void method(){
       可能會產生線程安全問題的代碼
}

同步方法中的鎖對象是 this

使用同步方法，對電影院賣票案例中Ticket類進行如下代碼修改：

public class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;
    //定義鎖對象
    Object lock = new Object();
    @Override
    public void run() {
        //模擬賣票
        while(true){
            //同步方法
            method();
        }
    }

//同步方法,鎖對象this
    public synchronized void method(){
        if (ticket > 0) {
            //模擬選坐的操作
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在賣票:" + ticket--);
        }
    }
}

靜態同步方法: 在方法聲明上加上static synchronized

public static synchronized void method(){
　　可能會產生線程安全問題的代碼
}

靜態同步方法中的鎖對象是 類名.class

1.3 死鎖

同步鎖使用的弊端：當線程任務中出現了多個同步(多個鎖)時，如果同步中嵌套了其他的同步。這時容易引發一種現象：程式出現無限等待，這種現象我們稱為死鎖。這種情況能避免就避免掉。

synchronzied(A鎖){
    synchronized(B鎖){
         
　　}
}

我們進行下死鎖情況的代碼演示：

定義鎖對象類

public class MyLock {
    public static final Object lockA = new Object();
    public static final Object lockB = new Object();
}

線程任務類

public class ThreadTask implements Runnable {
    int x = new Random().nextInt(1);//0,1
    //指定線程要執行的任務代碼
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            if (x%2 ==0) {
                //情況一
                synchronized (MyLock.lockA) {
                    System.out.println("if-LockA");
                    synchronized (MyLock.lockB) {
                        System.out.println("if-LockB");
                        System.out.println("if大口吃肉");
                    }
                }
            } else {
                //情況二
                synchronized (MyLock.lockB) {
                    System.out.println("else-LockB");
                    synchronized (MyLock.lockA) {
                        System.out.println("else-LockA");
                        System.out.println("else大口吃肉");
                    }
                }
            }
            x++;
        }
    }
}

測試類

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //創建線程任務類對象
        ThreadTask task = new ThreadTask();
        //創建兩個線程
        Thread t1 = new Thread(task);
        Thread t2 = new Thread(task);
        //啟動線程
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

1.4 Lock介面

查閱API，查閱Lock介面描述，Lock 實現提供了比使用 synchronized 方法和語句可獲得的更廣泛的鎖定操作。

Lock介面中的常用方法

Lock提供了一個更加面對對象的鎖，在該鎖中提供了更多的操作鎖的功能。

我們使用Lock介面，以及其中的lock()方法和unlock()方法替代同步，對電影院賣票案例中Ticket類進行如下代碼修改：

public class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;
    
    //創建Lock鎖對象
    Lock ck = new ReentrantLock();
    
    @Override
    public void run() {
        //模擬賣票
        while(true){
            //synchronized (lock){
            ck.lock();
                if (ticket > 0) {
                    //模擬選坐的操作
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在賣票:" + ticket--);
                }
            ck.unlock();
            //}
        }
    }
}

1.5 等待喚醒機制

在開始講解等待喚醒機制之前，有必要搞清一個概念——線程之間的通信：多個線程在處理同一個資源，但是處理的動作（線程的任務）卻不相同。通過一定的手段使各個線程能有效的利用資源。而這種手段即—— 等待喚醒機制。

等待喚醒機制所涉及到的方法：

wait（） :等待，將正在執行的線程釋放其執行資格 和 執行權，並存儲到線程池中。

notify（）：喚醒，喚醒線程池中被wait（）的線程，一次喚醒一個，而且是任意的。

notifyAll（）： 喚醒全部：可以將線程池中的所有wait() 線程都喚醒。

其實，所謂喚醒的意思就是讓 線程池中的線程具備執行資格。必須註意的是，這些方法都是在 同步中才有效。同時這些方法在使用時必須標明所屬鎖，這樣才可以明確出這些方法操作的到底是哪個鎖上的線程。

仔細查看JavaAPI之後，發現這些方法 並不定義在 Thread中，也沒定義在Runnable介面中，卻被定義在了Object類中，為什麼這些操作線程的方法定義在Object類中？

因為這些方法在使用時，必須要標明所屬的鎖，而鎖又可以是任意對象。能被任意對象調用的方法一定定義在Object類中。

接下里，我們先從一個簡單的示例入手:

 

 

如上圖說示，輸入線程向Resource中輸入name ,sex , 輸出線程從資源中輸出，先要完成的任務是：

1.當input發現Resource中沒有數據時，開始輸入，輸入完成後，叫output來輸出。如果發現有數據，就wait();

2.當output發現Resource中沒有數據時，就wait() ；當發現有數據時，就輸出，然後，叫醒input來輸入數據。

 

下麵代碼，模擬等待喚醒機制的實現：

模擬資源類

 

public class Resource {
    private String name;
    private String sex;
    private boolean flag = false;

    public synchronized void set(String name, String sex) {
        if (flag)
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        // 設置成員變數
        this.name = name;
        this.sex = sex;
        // 設置之後，Resource中有值，將標記該為 true ,
        flag = true;
        // 喚醒output
        this.notify();
    }

    public synchronized void out() {
        if (!flag)
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        // 輸出線程將數據輸出
        System.out.println("姓名: " + name + "，性別: " + sex);
        // 改變標記，以便輸入線程輸入數據
        flag = false;
        // 喚醒input，進行數據輸入
        this.notify();
    }
}

輸入線程任務類

public class Input implements Runnable {
    private Resource r;

    public Input(Resource r) {
        this.r = r;
    }

    @Override
    public void run() {
        int count = 0;
        while (true) {
            if (count == 0) {
                r.set("小明", "男生");
            } else {
                r.set("小花", "女生");
            }
            // 在兩個數據之間進行切換
            count = (count + 1) % 2;
        }
    }
}

輸出線程任務類

public class Output implements Runnable {
    private Resource r;

    public Output(Resource r) {
        this.r = r;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            r.out();
        }
    }
}

測試類

public class ResourceDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 資源對象
        Resource r = new Resource();
        // 任務對象
        Input in = new Input(r);
        Output out = new Output(r);
        // 線程對象
        Thread t1 = new Thread(in);
        Thread t2 = new Thread(out);
        // 開啟線程
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

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