java并发之如何解决线程安全问题
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- java并发编程：线程安全-线程同步-synchronized和lock
- 2016-09-16 09:32:29 0 个评论 来源：公绪凯—个人专栏
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多线程在提高效率的同时，必然面临线程安全的问题，Java中提供了一些机制来解决线程安全问题。
当多个线程同时访问临界资源（或叫共享资源）（一个对象，对象中的属性，一个文件，一个数据库等）时，就可能会产生线程安全问题。
不过，当多个线程执行一个方法，方法内部的局部变量并不是临界资源，因为方法是在栈上执行的，而Java栈是线程私有的，因此不会产生线程安全问题。
解决方案:序列化访问临界资源”的方案，即在同一时刻，只能有一个线程访问临界资源，也称作同步互斥访问。
在Java中，提供了两种方式来实现同步互斥访问：synchronized和Lock。
1.synchronized
（1）synchronized方法
例子：两个线程分别调用insertData对象插入数据：
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public
class
Test {
public
static
void
main(String[] args) {
final
InsertData insertData =
new
InsertData();
new
Thread() {
public
void
run() {
insertData.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
new
Thread() {
public
void
run() {
insertData.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
}
class
InsertData {
private
ArrayList
new
ArrayList
public
void
insert(Thread thread){
for
(
int
i=
0
;i<
5
;i++){
System.out.println(thread.getName()+
"在插入数据"
+i);
arrayList.add(i);
}
}
}
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说明两个线程在同时执行insert方法。
而如果在insert方法前面加上关键字synchronized的话，运行结果为：
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class
InsertData {
private
ArrayList
new
ArrayList
public
synchronized
void
insert(Thread thread){
for
(
int
i=
0
;i<
5
;i++){
System.out.println(thread.getName()+
"在插入数据"
+i);
arrayList.add(i);
}
}
}
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从上输出结果说明，Thread-1插入数据是等Thread-0插入完数据之后才进行的。说明Thread-0和Thread-1是顺序执行insert方法的。
这就是synchronized方法。
注意：
1）当一个线程正在访问一个对象的synchronized方法，那么其他线程不能访问该对象的其他synchronized方法。这个原因很简单，因为一个对象只有一把锁，当一个线程获取了该对象的锁之后，其他线程无法获取该对象的锁，所以无法访问该对象的其他synchronized方法。
2）当一个线程正在访问一个对象的synchronized方法，那么其他线程能访问该对象的非synchronized方法。这个原因很简单，访问非synchronized方法不需要获得该对象的锁，假如一个方法没用synchronized关键字修饰，说明它不会使用到临界资源，那么其他线程是可以访问这个方法的，
3）如果一个线程A需要访问对象object1的synchronized方法fun1，另外一个线程B需要访问对象object2的synchronized方法fun1，即使object1和object2是同一类型），也不会产生线程安全问题，因为他们访问的是不同的对象，所以不存在互斥问题。
（2）synchronized代码块synchronized代码块类似于以下这种形式：
synchronized(synObject) { }
当在某个线程中执行这段代码块，该线程会获取对象synObject的锁，从而使得其他线程无法同时访问该代码块。
synObject可以是this，代表获取当前对象的锁，也可以是类中的一个属性，代表获取该属性的锁。
比如上面的insert方法可以改成以下两种形式：
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private
ArrayList
new
ArrayList
public
void
insert(Thread thread){
synchronized
(
this
) {
for
(
int
i=
0
;i<
100
;i++){
System.out.println(thread.getName()+
"在插入数据"
+i);
arrayList.add(i);
}
}
}
}
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private
ArrayList
new
ArrayList
private
Object object =
new
Object();
public
void
insert(Thread thread){
synchronized
(object) {
for
(
int
i=
0
;i<
100
;i++){
System.out.println(thread.getName()+
"在插入数据"
+i);
arrayList.add(i);
}
}
}
}
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另外，每个类也会有一个锁，它可以用来控制对static数据成员的并发访问。
并且如果一个线程执行一个对象的非static synchronized方法，另外一个线程需要执行这个对象所属类的static synchronized方法，此时不会发生互斥现象，因为访问static synchronized方法占用的是类锁，而访问非static synchronized方法占用的是对象锁，所以不存在互斥现象。
看下面这段代码就明白了：
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public
class
Test {
public
static
void
main(String[] args) {
final
InsertData insertData =
new
InsertData();
new
Thread(){
@Override
public
void
run() {
insertData.insert();
}
}.start();
new
Thread(){
@Override
public
void
run() {
insertData.insert1();
}
}.start();
}
}
class
InsertData {
public
synchronized
void
insert(){
System.out.println(
"执行insert"
);
try
{
Thread.sleep(
5000
);
}
catch
(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(
"执行insert完毕"
);
}
public
synchronized
static
void
insert1() {
System.out.println(
"执行insert1"
);
System.out.println(
"执行insert1完毕"
);
}
}
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第一个线程里面执行的是insert方法，不会导致第二个线程执行insert1方法发生阻塞现象。
注意：对于synchronized方法或者synchronized代码块，当出现异常时，JVM会自动释放当前线程占用的锁，因此不会出现由于异常导致出现死锁现象。
2.Lock
synchronized是java中的一个关键字，也就是说是Java语言内置的特性。
代码块被synchronized修饰了，当一个线程获取了对应的锁，并执行该代码块时，其他线程便只能一直等待，等待获取锁的线程释放锁，而这里获取锁的线程释放锁只会有两种情况：
1）获取锁的线程执行完了该代码块，然后线程释放对锁的占有；
2）线程执行发生异常，此时JVM会让线程自动释放锁。
如果这个获取锁的线程由于要等待IO或者其他原因（比如调用sleep方法）被阻塞了，但是又没有释放锁，其他线程便只能等待，多么影响程序执行效率。
因此就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去（比如只等待一定的时间或者能够响应中断），通过Lock就可以办到。
再举个例子：当有多个线程读写文件时，读操作和写操作会发生冲突现象，写操作和写操作会发生冲突现象，但是读操作和读操作不会发生冲突现象。
但是采用synchronized关键字来实现同步的话，就会导致一个问题：
如果多个线程都只是进行读操作，所以当一个线程在进行读操作时，其他线程只能等待无法进行读操作。
因此就需要一种机制来使得多个线程都只是进行读操作时，线程之间不会发生冲突，通过Lock就可以办到。
另外，通过Lock可以知道线程有没有成功获取到锁。这个是synchronized无法办到的。
总结一下，也就是说Lock提供了比synchronized更多的功能。但是要注意以下几点：
1）Lock不是Java语言内置的，synchronized是Java语言的关键字，因此是内置特性。Lock是一个类，通过这个类可以实现同步访问；
2）Lock和synchronized有一点非常大的不同，采用synchronized不需要用户去手动释放锁，当synchronized方法或者synchronized代码块执行完之后，系统会自动让线程释放对锁的占用；而Lock则必须要用户去手动释放锁，如果没有主动释放锁，就有可能导致出现死锁现象。
java.util.concurrent.locks包中常用的类和接口:(1). Lock
Lock是一个接口：
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public
interface
Lock {
void
lock();
void
lockInterruptibly()
throws
InterruptedException;
boolean
tryLock();
boolean
tryLock(
long
time, TimeUnit unit)
throws
InterruptedException;
void
unlock();
Condition newCondition();
}
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在Lock中声明了四个方法来获取锁，那么这四个方法有何区别呢？
<1>.lock():如果锁已被其他线程获取，则进行等待。采用Lock，必须主动去释放锁，并且在发生异常时，不会自动释放锁。因此一般来说，使用Lock必须在try{}catch{}块中进行，并且将释放锁的操作放在finally块中进行，以保证锁一定被被释放，防止死锁的发生。
通常使用Lock来进行同步的话，是以下面这种形式去使用的：
Lock lock = …; lock.lock(); try{ //处理任务 }catch(Exception ex){ }finally{ lock.unlock();//释放锁 } <2>.tryLock():有返回值，表示用来尝试获取锁，如果获取成功，则返回true，如果获取失败（即锁已被其他线程获取），则返回false，也就说这个方法无论如何都会立即返回。在拿不到锁时不会一直在那等待。tryLock(long time, TimeUnit unit): 和tryLock()方法是类似的，区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间，在时间期限之内如果还拿不到锁，就返回false。如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁，则返回true。
一般情况下通过tryLock来获取锁时是这样使用的：
Lock lock = …; if(lock.tryLock()) { try{ //处理任务 }catch(Exception ex){ }finally{ lock.unlock();//释放锁 } }else{ //如果不能获取锁，则直接做其他事情 } <3>.lockInterruptibly()获取锁时，如果线程正在等待获取锁，则这个线程能够响应中断，即中断线程的等待状态。当两个线程同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时，假若此时线程A获取到了锁，而线程B只有在等待，那么对线程B调用thread B.interrupt()方法能够中断线程B的等待过程。
lockInterruptibly()一般的使用形式如下：
publicvoidmethod()throwsInterruptedException { lock.lockInterruptibly(); try{ //….. } finally{ lock.unlock(); } }
注意，当一个线程获取了锁之后，是不会被interrupt()方法中断的。单独调用interrupt()方法不能中断正在运行过程中的线程，只能中断阻塞过程中的线程。
因此当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时，如果不能获取到，只有进行等待的情况下，是可以响应中断的。
而用synchronized修饰的话，当一个线程处于等待某个锁的状态，是无法被中断的，只有一直等待下去。
(2). ReentrantLock可重入锁。ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类，并且ReentrantLock提供了更多的方法。
例子1，lock()的正确使用方法
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public
class
Test {
private
ArrayList
new
ArrayList
public
static
void
main(String[] args) {
final
Test test =
new
Test();
new
Thread(){
public
void
run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
new
Thread(){
public
void
run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
public
void
insert(Thread thread) {
Lock lock =
new
ReentrantLock();
//注意这个地方
lock.lock();
try
{
System.out.println(thread.getName()+
"得到了锁"
);
for
(
int
i=
0
;i<
5
;i++) {
arrayList.add(i);
}
}
catch
(Exception e) {
// TODO: handle exception
}
finally
{
System.out.println(thread.getName()+
"释放了锁"
);
lock.unlock();
}
}
}
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输出结果：
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Thread-
0
得到了锁
Thread-
1
得到了锁
Thread-
0
释放了锁
Thread-
1
释放了锁
|
也许有朋友会问，怎么会输出这个结果？第二个线程怎么会在第一个线程释放锁之前得到了锁？原因在于，在insert方法中的lock变量是局部变量，每个线程执行该方法时都会保存一个副本，那么理所当然每个线程执行到lock.lock()处获取的是不同的锁，所以就不会发生冲突。
知道了原因改起来就比较容易了，只需要将lock声明为类的属性即可。
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public
class
Test {
private
ArrayList
new
ArrayList
private
Lock lock =
new
ReentrantLock();
//注意这个地方
public
static
void
main(String[] args) {
final
Test test =
new
Test();
new
Thread(){
public
void
run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
new
Thread(){
public
void
run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
public
void
insert(Thread thread) {
lock.lock();
try
{
System.out.println(thread.getName()+
"得到了锁"
);
for
(
int
i=
0
;i<
5
;i++) {
arrayList.add(i);
}
}
catch
(Exception e) {
// TODO: handle exception
}
finally
{
System.out.println(thread.getName()+
"释放了锁"
);
lock.unlock();
}
}
}
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例子2，tryLock()的使用方法
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public
class
Test {
private
ArrayList
new
ArrayList
private
Lock lock =
new
ReentrantLock();
//注意这个地方
public
static
void
main(String[] args) {
final
Test test =
new
Test();
new
Thread(){
public
void
run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
new
Thread(){
public
void
run() {
test.insert(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
public
void
insert(Thread thread) {
if
(lock.tryLock()) {
try
{
System.out.println(thread.getName()+
"得到了锁"
);
for
(
int
i=
0
;i<
5
;i++) {
arrayList.add(i);
}
}
catch
(Exception e) {
// TODO: handle exception
}
finally
{
System.out.println(thread.getName()+
"释放了锁"
);
lock.unlock();
}
}
else
{
System.out.println(thread.getName()+
"获取锁失败"
);
}
}
}
|
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Thread-
0
得到了锁
Thread-
1
获取锁失败
Thread-
0
释放了锁
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public
class
Test {
private
Lock lock =
new
ReentrantLock();
public
static
void
main(String[] args) {
Test test =
new
Test();
MyThread thread1 =
new
MyThread(test);
MyThread thread2 =
new
MyThread(test);
thread1.start();
thread2.start();
try
{
Thread.sleep(
2000
);
}
catch
(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
thread2.interrupt();
}
public
void
insert(Thread thread)
throws
InterruptedException{
lock.lockInterruptibly();
//注意，如果需要正确中断等待锁的线程，必须将获取锁放在外面，然后将InterruptedException抛出
try
{
System.out.println(thread.getName()+
"得到了锁"
);
long
startTime = System.currentTimeMillis();
for
( ; ;) {
if
(System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE)
break
;
//插入数据
}
}
finally
{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+
"执行finally"
);
lock.unlock();
System.out.println(thread.getName()+
"释放了锁"
);
}
}
}
class
MyThread
extends
Thread {
private
Test test =
null
;
public
MyThread(Test test) {
this
.test = test;
}
@Override
public
void
run() {
try
{
test.insert(Thread.currentThread());
}
catch
(InterruptedException e) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+
"被中断"
);
}
}
}
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(3).ReadWriteLock
ReadWriteLock也是一个接口
publicinterfaceReadWriteLock { Lock readLock();//获取读锁 Lock writeLock();//获取写锁 }
将文件的读写操作分开，分成2个锁来分配给线程，从而使得多个线程可以同时进行读操作。
下面的ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口。
(4).ReentrantReadWriteLock
具体用法:有多个线程要同时进行读操作
synchronized达到的效果：
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public
class
Test {
private
ReentrantReadWriteLock rwl =
new
ReentrantReadWriteLock();
public
static
void
main(String[] args) {
final
Test test =
new
Test();
new
Thread(){
public
void
run() {
test.get(Thread.currentThread());
};
}.start();
new
Thread(){
public
void
run() {
test.get(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
public
synchronized
void
get(Thread thread) {
long
start = System.currentTimeMillis();
while
(System.currentTimeMillis() - start <=
1
) {
System.out.println(thread.getName()+
"正在进行读操作"
);
}
System.out.println(thread.getName()+
"读操作完毕"
);
}
}
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这段程序的输出结果是，直到thread1执行完读操作之后，才会打印thread2执行读操作的信息。
ReentrantReadWriteLock达到的效果：
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public
class
Test {
private
ReentrantReadWriteLock rwl =
new
ReentrantReadWriteLock();
public
static
void
main(String[] args) {
final
Test test =
new
Test();
new
Thread(){
public
void
run() {
test.get(Thread.currentThread());
};
}.start();
new
Thread(){
public
void
run() {
test.get(Thread.currentThread());
};
}.start();
}
public
void
get(Thread thread) {
rwl.readLock().lock();
try
{
long
start = System.currentTimeMillis();
while
(System.currentTimeMillis() - start <=
1
) {
System.out.println(thread.getName()+
"正在进行读操作"
);
}
System.out.println(thread.getName()+
"读操作完毕"
);
}
finally
{
rwl.readLock().unlock();
}
}
}
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如果有一个线程已经占用了读锁，则此时其他线程如果要申请写锁，则申请写锁的线程会一直等待释放读锁。
如果有一个线程已经占用了写锁，则此时其他线程如果申请写锁或者读锁，则申请的线程会一直等待释放写锁。
Lock和synchronized的选择：
总结来说，Lock和synchronized有以下几点不同：
1）Lock是一个接口，而synchronized是Java中的关键字，synchronized是内置的语言实现；
2）synchronized在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生；而Lock在发生异常时，如果没有主动通过unLock()去释放锁，则很可能造成死锁现象，因此使用Lock时需要在finally块中释放锁；
3）Lock可以让等待锁的线程响应中断，而synchronized却不行，使用synchronized时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断；
4）通过Lock可以知道有没有成功获取锁，而synchronized却无法办到。
5）Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。
在性能上来说，如果竞争资源不激烈，两者的性能是差不多的，而当竞争资源非常激烈时（即有大量线程同时竞争），此时Lock的性能要远远优于synchronized。所以说，在具体使用时要根据适当情况选择。
锁的相关概念：
1.可重入锁
如果锁具备可重入性，则称作为可重入锁。像synchronized和ReentrantLock都是可重入锁，可重入性实际上表明了锁的分配机制：基于线程的分配，而不是基于方法调用的分配。举个简单的例子，当一个线程执行到某个synchronized方法时，比如说method1，而在method1中会调用另外一个synchronized方法method2，此时线程不必重新去申请锁，而是可以直接执行方法method2。
classMyClass { publicsynchronizedvoidmethod1() { method2(); } publicsynchronizedvoidmethod2() { } }上述代码中的两个方法method1和method2都用synchronized修饰了，
假如synchronized不具备可重入性，某一时刻，线程A执行到了method1，此时线程A获取了这个对象的锁，而由于method2也是synchronized方法，此时线程A需要重新申请锁。因为线程A已经持有了该对象的锁，而又在申请获取该对象的锁，这样就会线程A一直等待永远不会获取到锁。
而由于synchronized和Lock都具备可重入性，所以不会发生上述现象。
2.可中断锁在Java中，synchronized就不是可中断锁，而Lock是可中断锁。
如果某一线程A正在执行锁中的代码，另一线程B正在等待获取该锁，可能由于等待时间过长，线程B不想等待了，想先处理其他事情，我们可以让它中断自己或者在别的线程中中断它，这种就是可中断锁。
在前面演示lockInterruptibly()的用法时已经体现了Lock的可中断性。
3.公平锁公平锁即尽量以请求锁的顺序来获取锁。比如同是有多个线程在等待一个锁，当这个锁被释放时，等待时间最久的线程（最先请求的线程）会获得该所，这种就是公平锁。
非公平锁即无法保证锁的获取是按照请求锁的顺序进行的。这样就可能导致某个或者一些线程永远获取不到锁。
在Java中，synchronized就是非公平锁，它无法保证等待的线程获取锁的顺序。
而对于ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock，它默认情况下是非公平锁，但是可以设置为公平锁。
ReentrantLock lock =newReentrantLock(true);//true表示为公平锁，为fasle为非公平锁。默认情况下，如果使用无参构造器，则是非公平锁。
另外在ReentrantLock类中定义了很多方法，比如：
isFair() //判断锁是否是公平锁
isLocked() //判断锁是否被任何线程获取了
isHeldByCurrentThread() //判断锁是否被当前线程获取了
hasQueuedThreads() //判断是否有线程在等待该锁
在ReentrantReadWriteLock中也有类似的方法，同样也可以设置为公平锁和非公平锁。
不过要记住，ReentrantReadWriteLock并未实现Lock接口，它实现的是ReadWriteLock接口。
4.读写锁
读写锁将对一个资源（比如文件）的访问分成了2个锁，一个读锁和一个写锁。
正因为有了读写锁，才使得多个线程之间的读操作不会发生冲突。
ReadWriteLock就是读写锁，它是一个接口，ReentrantReadWriteLock实现了这个接口。
可以通过readLock()获取读锁，通过writeLock()获取写锁。
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