并发编程系列教程（02） - 多线程安全

文章涉及到的代码已上传到Github，有兴趣的同学可以参考下（https://github.com/ylw-github/Java-ThreadDemo）

1. 什么是线程安全

当多个线程同时共享时，全局变量或静态变量,做写操作时，可能会发生数据冲突的过程，也就是线程安全的问题。但是做读操作是不会发生数据冲突问题。

案例:需求现在有100张火车票，有两个窗口同时抢火车票，请使用多线程模拟抢票效果。

package com.ylw.thread;

public class ThreadSafeDemo {
    
    public static class ThreadTrain implements Runnable {
        private int trainCount = 100;

        @Override
        public void run() {
            while (trainCount > 0) {
                try {
                    Thread.sleep(50);
                } catch (Exception e) {

                }
                sale();
            }
        }

        public void sale() {
            if (trainCount > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
                trainCount--;
            }
        }

        public static void main(String[] args) {
            ThreadTrain threadTrain = new ThreadTrain();
            Thread t1 = new Thread(threadTrain, "①号");
            Thread t2 = new Thread(threadTrain, "②号");
            t1.start();
            t2.start();
        }

    }
}

运行结果:

一号窗口和二号窗口同时出售火车第九十五张,部分火车票会重复出售。

结论发现，多个线程共享同一个全局成员变量时，做写的操作可能会发生数据冲突问题。

2. 线程安全的解决方法

问:如何解决多线程之间线程安全问题

答:使用多线程之间同步synchronized或使用锁(lock)。

---

问:为什么使用线程同步或使用锁能解决线程安全问题呢？
答:将可能会发生数据冲突问题(线程不安全问题)，只能让当前一个线程进行执行。代码执行完成后释放锁，让后才能让其他线程进行执行。这样的话就可以解决线程不安全问题。

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问:什么是多线程之间同步
答:当多个线程共享同一个资源,不会受到其他线程的干扰。

---

问:什么是多线程同步
答:当多个线程共享同一个资源,不会受到其他线程的干扰。

2.1 内置的锁

Java提供了一种内置的锁机制来支持原子性

每一个Java对象都可以用作一个实现同步的锁，称为内置锁，线程进入同步代码块之前自动获取到锁，代码块执行完成正常退出或代码块中抛出异常退出时会释放掉锁。

内置锁为互斥锁，即线程A获取到锁后，线程B阻塞直到线程A释放锁，线程B才能获取到同一个锁。

内置锁使用synchronized关键字实现，synchronized关键字有两种用法：

1. 修饰需要进行同步的方法（所有访问状态变量的方法都必须进行同步），此时充当锁的对象为调用同步方法的对象
2. 同步代码块和直接使用synchronized修饰需要同步的方法是一样的，但是锁的粒度可以更细，并且充当锁的对象不一定是this，也可以是其它对象，所以使用起来更加灵活

2.2 同步代码块synchronized

就是将可能会发生线程安全问题的代码，给包括起来。
synchronized(同一个数据){
 可能会发生线程冲突问题
}
就是同步代码块 
synchronized(对象)//这个对象可以为任意对象 
{ 
    需要被同步的代码 
} 

对象如同锁，持有锁的线程可以在同步中执行

没持有锁的线程即使获取CPU的执行权，也进不去

同步的前提：

1. 必须要有两个或者两个以上的线程
2. 必须是多个线程使用同一个锁

必须保证同步中只能有一个线程在运行

• 好处： 解决了多线程的安全问题

• 弊端： 多个线程需要判断锁，较为消耗资源、抢锁的资源。

代码样例:

public void sale() {
		synchronized (this) {
			if (trainCount > 0) {
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
				trainCount--;
			}
		}
	}

2.3 同步方法

什么是同步方法？

答：在方法上修饰synchronized 称为同步方法

代码样例:

public synchronized void sale() {
		if (trainCount > 0) {
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
			trainCount--;
		}
	}

---

同步方法使用的是什么锁？

答：同步函数使用this锁。

证明方式: 一个线程使用同步代码块(this明锁),另一个线程使用同步函数。如果两个线程抢票不能实现同步，那么会出现数据错误。

代码:

package com.ylw.thread;

public class LockDemo {
    static class Thread009 implements Runnable {
        private int trainCount = 100;
        private Object oj = new Object();
        public boolean flag = true;

        public void run() {

            if (flag) {
                while (trainCount > 0) {
                    synchronized (this) {
                        try {
                            Thread.sleep(10);
                        } catch (Exception e) {
                            // TODO: handle exception
                        }
                        if (trainCount > 0) {
                            System.out
                                    .println(Thread.currentThread().getName() + "," + "出售第" + (100 - trainCount + 1) + "票");
                            trainCount--;
                        }
                    }

                }
            } else {
                while (trainCount > 0) {
                    sale();
                }

            }

        }

        public synchronized void sale() {

            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (Exception e) {
                // TODO: handle exception
            }
            if (trainCount > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "," + "出售第" + (100 - trainCount + 1) + "票");
                trainCount--;
            }

        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread009 threadTrain = new Thread009();
        Thread t1 = new Thread(threadTrain, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(threadTrain, "窗口2");
        t1.start();
        Thread.sleep(40);
        threadTrain.flag = false;
        t2.start();

    }
}

2.4 静态同步函数

问：什么是静态同步函数？

答：方法上加上static关键字，使用synchronized 关键字修饰 或者使用类.class文件。
静态的同步函数使用的锁是 该函数所属字节码文件对象
可以用 getClass方法获取，也可以用当前 类名.class 表示。

代码样例:

public static void sale() {
		synchronized (ThreadTrain3.class) {
			if (trainCount > 0) {
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
				trainCount--;
			}
		}
}

总结：
synchronized 修饰方法使用锁是当前this锁。
synchronized 修饰静态方法使用锁是当前类的字节码文件

3.多线程死锁

问：什么是多线程死锁？
答:同步中嵌套同步,导致锁无法释放

代码:

class Thread009 implements Runnable {
	private int trainCount = 100;
	private Object oj = new Object();
	public boolean flag = true;

	public void run() {

		if (flag) {
			while (trainCount > 0) {
				synchronized (oj) {
					try {
						Thread.sleep(10);
					} catch (Exception e) {
						// TODO: handle exception
					}
					sale();
				}

			}
		} else {
			while (trainCount > 0) {
				sale();
			}

		}

	}

	public synchronized void sale() {
		synchronized (oj) {
			try {
				Thread.sleep(10);
			} catch (Exception e) {

			}
			if (trainCount > 0) {
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "," + "出售第" + (100 - trainCount + 1) + "票");
				trainCount--;
			}
		}
	}
}

public class Test009 {
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		Thread009 threadTrain = new Thread009();
		Thread t1 = new Thread(threadTrain, "窗口1");
		Thread t2 = new Thread(threadTrain, "窗口2");
		t1.start();
		Thread.sleep(40);
		threadTrain.flag = false;
		t2.start();

	}
}}

4.ThreadLocal

ThreadLocal提高一个线程的局部变量，访问某个线程拥有自己局部变量。

当使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本。

4.1 ThreadLocal的接口方法：

ThreadLocal类接口很简单，只有4个方法，我们先来了解一下：

• void set(Object value) 设置当前线程的线程局部变量的值。
• public Object get() 该方法返回当前线程所对应的线程局部变量。
• public void remove() 将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存的占用，该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是，当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度。
• protected Object initialValue() 返回该线程局部变量的初始值，该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行，并且仅执行1次。ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。

4.2 案例

创建三个线程，每个线程生成自己独立序列号，代码如下:

public class ThreadLocalDemo {

    public static class Res {

        // 生成序列号共享变量
        public static Integer count = 0;
        public static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<Integer>() {
            protected Integer initialValue() {

                return 0;
            }
        };

        public Integer getNum() {
            int count = threadLocal.get() + 1;
            threadLocal.set(count);
            return count;
        }
    }

    public static class ThreadDemo extends Thread{
        private Res res;

        public ThreadDemo(Res res) {
            this.res = res;
        }
        @Override
        public void run() {
            super.run();
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---" + "i---" + i + "--num:" + res.getNum());
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Res res = new Res();
        ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo(res);
        ThreadDemo threadDemo1 = new ThreadDemo(res);
        ThreadDemo threadDemo2 = new ThreadDemo(res);
        threadDemo.start();
        threadDemo1.start();
        threadDemo2.start();
    }
}

4.1 ThreadLoca实现原理

ThreadLoca通过map集合
Map.put(“当前线程”,值)；

5.多线程的三大特性

原子性、可见性、有序性

5.1 原子性

即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

一个很经典的例子就是银行账户转账问题：

比如从账户A向账户B转1000元，那么必然包括2个操作：从账户A减去1000元，往账户B加上1000元。这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。

我们操作数据也是如此，比如i = i+1；其中就包括，读取i的值，计算i，写入i。这行代码在Java中是不具备原子性的，则多线程运行肯定会出问题，所以也需要我们使用同步和lock这些东西来确保这个特性了。

原子性其实就是保证数据一致、线程安全一部分。

5.2 可见性

当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

若两个线程在不同的cpu，那么线程1改变了i的值还没刷新到主存，线程2又使用了i，那么这个i值肯定还是之前的，线程1对变量的修改线程没看到这就是可见性问题。

5.3 有序性

程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

一般来说处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。如下：

int a = 10;    //语句1
int r = 2;    //语句2
a = a + 3;    //语句3
r = a*a;     //语句4

则因为重排序，他还可能执行顺序为 2-1-3-4，1-3-2-4

但绝不可能 2-1-4-3，因为这打破了依赖关系。

显然重排序对单线程运行是不会有任何问题，而多线程就不一定了，所以我们在多线程编程时就得考虑这个问题了。

总结