java多线程同步5种方法
一、引言
前几天面试，被大师虐残了，好多基础知识必须得重新拿起来啊。闲话不多说，进入正题。
二、为什么要线程同步
因为当我们有多个线程要同时访问一个变量或对象时，如果这些线程中既有读又有写操作时，就会导致变量值或对象的状态出现混乱，从而导致程序异常。举个例子，如果一个银行账户同时被两个线程操作，一个取100块，一个存钱100块。假设账户原本有0块，如果取钱线程和存钱线程同时发生，会出现什么结果呢？取钱不成功，账户余额是100.取钱成功了，账户余额是0.那到底是哪个呢？很难说清楚。因此多线程同步就是要解决这个问题。
三、不同步时的代码
Bank.java
- package threadTest;
- /**
- * @author ww
- *
- */
- public class Bank {
- private int count =0;//账户余额
- //存钱
- public void addMoney(int money){
- count +=money;
- System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money);
- }
- //取钱
- public void subMoney(int money){
- if(count-money < 0){
- System.out.println("余额不足");
- return;
- }
- count -=money;
- System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
- }
- //查询
- public void lookMoney(){
- System.out.println("账户余额："+count);
- }
- }
- package threadTest;
- public class SyncThreadTest {
- public static void main(String args[]){
- final Bank bank=new Bank();
- Thread tadd=new Thread(new Runnable() {
- @Override
- public void run() {
- // TODO Auto-generated method stub
- while(true){
- try {
- Thread.sleep(1000);
- } catch (InterruptedException e) {
- // TODO Auto-generated catch block
- e.printStackTrace();
- }
- bank.addMoney(100);
- bank.lookMoney();
- System.out.println("\n");
- }
- }
- });
- Thread tsub = new Thread(new Runnable() {
- @Override
- public void run() {
- // TODO Auto-generated method stub
- while(true){
- bank.subMoney(100);
- bank.lookMoney();
- System.out.println("\n");
- try {
- Thread.sleep(1000);
- } catch (InterruptedException e) {
- // TODO Auto-generated catch block
- e.printStackTrace();
- }
- }
- }
- });
- tsub.start();
- tadd.start();
- }
- }
代码很简单，我就不解释了，看看运行结果怎样呢？截取了其中的一部分，是不是很乱，有写看不懂。
- 余额不足
- 账户余额：0
- 余额不足
- 账户余额：100
- 1441790503354存进：100
- 账户余额：100
- 1441790504354存进：100
- 账户余额：100
- 1441790504354取出：100
- 账户余额：100
- 1441790505355存进：100
- 账户余额：100
- 1441790505355取出：100
- 账户余额：100
四、使用同步时的代码
（1）同步方法：
即有synchronized关键字修饰的方法。 由于java的每个对象都有一个内置锁，当用此关键字修饰方法时，内置锁会保护整个方法。在调用该方法前，需要获得内置锁，否则就处于阻塞状态。
修改后的Bank.java
- package threadTest;
- /**
- * @author ww
- *
- */
- public class Bank {
- private int count =0;//账户余额
- //存钱
- public synchronized void addMoney(int money){
- count +=money;
- System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money);
- }
- //取钱
- public synchronized void subMoney(int money){
- if(count-money < 0){
- System.out.println("余额不足");
- return;
- }
- count -=money;
- System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
- }
- //查询
- public void lookMoney(){
- System.out.println("账户余额："+count);
- }
- }
- 余额不足
- 账户余额：0
- 余额不足
- 账户余额：0
- 1441790837380存进：100
- 账户余额：100
- 1441790838380取出：100
- 账户余额：0
- 1441790838380存进：100
- 账户余额：100
- 1441790839381取出：100
- 账户余额：0
注： synchronized关键字也可以修饰静态方法，此时如果调用该静态方法，将会锁住整个类
（2）同步代码块
即有synchronized关键字修饰的语句块。被该关键字修饰的语句块会自动被加上内置锁，从而实现同步
Bank.java代码如下：
- package threadTest;
- /**
- * @author ww
- *
- */
- public class Bank {
- private int count =0;//账户余额
- //存钱
- public void addMoney(int money){
- synchronized (this) {
- count +=money;
- }
- System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money);
- }
- //取钱
- public void subMoney(int money){
- synchronized (this) {
- if(count-money < 0){
- System.out.println("余额不足");
- return;
- }
- count -=money;
- }
- System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
- }
- //查询
- public void lookMoney(){
- System.out.println("账户余额："+count);
- }
- }
运行结果如下：
- 余额不足
- 账户余额：0
- 1441791806699存进：100
- 账户余额：100
- 1441791806700取出：100
- 账户余额：0
- 1441791807699存进：100
- 账户余额：100
效果和方法一差不多。
注：同步是一种高开销的操作，因此应该尽量减少同步的内容。通常没有必要同步整个方法，使用synchronized代码块同步关键代码即可。
（3）使用特殊域变量(volatile)实现线程同步
a.volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制
b.使用volatile修饰域相当于告诉虚拟机该域可能会被其他线程更新
c.因此每次使用该域就要重新计算，而不是使用寄存器中的值
d.volatile不会提供任何原子操作，它也不能用来修饰final类型的变量
- package threadTest;
- /**
- * @author ww
- *
- */
- public class Bank {
- private volatile int count = 0;// 账户余额
- // 存钱
- public void addMoney(int money) {
- count += money;
- System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进：" + money);
- }
- // 取钱
- public void subMoney(int money) {
- if (count - money < 0) {
- System.out.println("余额不足");
- return;
- }
- count -= money;
- System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money);
- }
- // 查询
- public void lookMoney() {
- System.out.println("账户余额：" + count);
- }
- }
- 余额不足
- 账户余额：0
- 余额不足
- 账户余额：100
- 1441792010959存进：100
- 账户余额：100
- 1441792011960取出：100
- 账户余额：0
- 1441792011961存进：100
- 账户余额：100
是不是又看不懂了，又乱了。这是为什么呢？就是因为volatile不能保证原子操作导致的，因此volatile不能代替synchronized。此外volatile会组织编译器对代码优化，因此能不使用它就不适用它吧。 它的原理是每次要线程要访问volatile修饰的变量时都是从内存中读取，而不是存缓存当中读取，因此每个线程访问到的变量值都是一样的。这样就保证了同步。
（4）使用重入锁实现线程同步
在JavaSE5.0中新增了一个java.util.concurrent包来支持同步。ReentrantLock类是可重入、互斥、实现了Lock接口的锁， 它与使用synchronized方法和快具有相同的基本行为和语义，并且扩展了其能力。
ReenreantLock类的常用方法有：
ReentrantLock() : 创建一个ReentrantLock实例
lock() : 获得锁
unlock() : 释放锁
注：ReentrantLock()还有一个可以创建公平锁的构造方法，但由于能大幅度降低程序运行效率，不推荐使用
Bank.java代码修改如下：
- package threadTest;
- import java.util.concurrent.locks.Lock;
- import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
- /**
- * @author ww
- *
- */
- public class Bank {
- private int count = 0;// 账户余额
- //需要声明这个锁
- private Lock lock = new ReentrantLock();
- // 存钱
- public void addMoney(int money) {
- lock.lock();//上锁
- try{
- count += money;
- System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进：" + money);
- }finally{
- lock.unlock();//解锁
- }
- }
- // 取钱
- public void subMoney(int money) {
- lock.lock();
- try{
- if (count - money < 0) {
- System.out.println("余额不足");
- return;
- }
- count -= money;
- System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money);
- }finally{
- lock.unlock();
- }
- }
- // 查询
- public void lookMoney() {
- System.out.println("账户余额：" + count);
- }
- }
- 余额不足
- 账户余额：0
- 余额不足
- 账户余额：0
- 1441792891934存进：100
- 账户余额：100
- 1441792892935存进：100
- 账户余额：200
- 1441792892954取出：100
- 账户余额：100
如果synchronized关键字能满足用户的需求，就用synchronized，因为它能简化代码 。如果需要更高级的功能，就用ReentrantLock类，此时要注意及时释放锁，否则会出现死锁，通常在finally代码释放锁
（5）使用局部变量实现线程同步
Bank.java代码如下：
- package threadTest;
- /**
- * @author ww
- *
- */
- public class Bank {
- private static ThreadLocal
count = new ThreadLocal(){ - @Override
- protected Integer initialValue() {
- // TODO Auto-generated method stub
- return 0;
- }
- };
- // 存钱
- public void addMoney(int money) {
- count.set(count.get()+money);
- System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进：" + money);
- }
- // 取钱
- public void subMoney(int money) {
- if (count.get() - money < 0) {
- System.out.println("余额不足");
- return;
- }
- count.set(count.get()- money);
- System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money);
- }
- // 查询
- public void lookMoney() {
- System.out.println("账户余额：" + count.get());
- }
- }
运行效果：
- 余额不足
- 账户余额：0
- 余额不足
- 账户余额：0
- 1441794247939存进：100
- 账户余额：100
- 余额不足
- 1441794248940存进：100
- 账户余额：0
- 账户余额：200
- 余额不足
- 账户余额：0
- 1441794249941存进：100
- 账户余额：300
看了运行效果，一开始一头雾水，怎么只让存，不让取啊？看看ThreadLocal的原理：
如果使用ThreadLocal管理变量，则每一个使用该变量的线程都获得该变量的副本，副本之间相互独立，这样每一个线程都可以随意修改自己的变量副本，而不会对其他线程产生影响。现在明白了吧，原来每个线程运行的都是一个副本，也就是说存钱和取钱是两个账户，知识名字相同而已。所以就会发生上面的效果。
a.ThreadLocal与同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题
同步的方法：
一、同步方法
二、同步代码块
synchronized(object){ }
package com.xhj.thread; /** * 线程同步的运用 * * @author XIEHEJUN * */ public class SynchronizedThread { class Bank { private int account = 100; public int getAccount() { return account; } /** * 用同步方法实现 * * @param money */ public synchronized void save(int money) { account += money; } /** * 用同步代码块实现 * * @param money */ public void save1(int money) { synchronized (this) { account += money; } } }
class NewThread implements Runnable { private Bank bank; public NewThread(Bank bank) { this.bank = bank; } @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { // bank.save1(10); bank.save(10); System.out.println(i + "账户余额为：" + bank.getAccount()); } } } /** * 建立线程，调用内部类 */ public void useThread() { Bank bank = new Bank(); NewThread new_thread = new NewThread(bank); System.out.println("线程1"); Thread thread1 = new Thread(new_thread); thread1.start(); System.out.println("线程2"); Thread thread2 = new Thread(new_thread); thread2.start(); } public static void main(String[] args) { SynchronizedThread st = new SynchronizedThread(); st.useThread(); } }
示例加讲解
同步是多线程中的重要概念。同步的使用可以保证在多线程运行的环境中，程序不会产生设计之外的错误结果。同步的实现方式有两种，同步方法和同步块，这两种方式都要用到synchronized关键字。
同步方法:给一个方法增加synchronized修饰符之后就可以使它成为同步方法，这个方法可以是静态方法和非静态方法，但是不能是抽象类的抽象方法，也不能是接口中的接口方法。下面代码是一个同步方法的示例：
public synchronized void aMethod() { // do something } public static synchronized void anotherMethod() { // do something }
线程在执行同步方法时是具有排它性的。当任意一个线程进入到一个对象的任意一个同步方法时，这个对象的所有同步方法都被锁定了，在此期间，其他任何线程都不能访问这个对象的任意一个同步方法，直到这个线程执行完它所调用的同步方法并从中退出，从而导致它释放了该对象的同步锁之后。在一个对象被某个线程锁定之后，其他线程是可以访问这个对象的所有非同步方法的。
同步块：同步块是通过锁定一个指定的对象，来对同步块中包含的代码进行同步；而同步方法是对这个方法块里的代码进行同步，而这种情况下锁定的对象就是同步方法所属的主体对象自身。如果这个方法是静态同步方法呢？那么线程锁定的就不是这个类的对象了，也不是这个类自身，而是这个类对应的java.lang.Class类型的对象。同步方法和同步块之间的相互制约只限于同一个对象之间，所以静态同步方法只受它所属类的其它静态同步方法的制约，而跟这个类的实例（对象）没有关系。
如果一个对象既有同步方法，又有同步块，那么当其中任意一个同步方法或者同步块被某个线程执行时，这个对象就被锁定了，其他线程无法在此时访问这个对象的同步方法，也不能执行同步块。
synchronized 关键字用于保护共享数据。请大家注意“共享数据”，你一定要分清哪些数据是共享数据，请看下面的例子：
public class ThreadTest implements Runnable{ public synchronized void run(){ for(int i=0;i<10;i++) { System.out.print(" " + i); } } public static void main(String[] args) { Runnable r1 = new ThreadTest(); //也可写成ThreadTest r1 = new ThreadTest(); Runnable r2 = new ThreadTest(); Thread t1 = new Thread(r1); Thread t2 = new Thread(r2); t1.start(); t2.start(); }}
在这个程序中，run()虽然被加上了synchronized 关键字，但保护的不是共享数据。因为这个程序中的t1,t2 是两个对象（r1,r2）的线程。而不同的对象的数据是不同的，r1,r2 有各自的run()方法，所以输出结果无法预知。
synchronized的目的是使同一个对象的多个线程，在某个时刻只有其中的一个线程可以访问这个对象的synchronized 数据。每个对象都有一个“锁标志”，当这个对象的一个线程访问这个对象的某个synchronized 数据时，这个对象的所有被synchronized 修饰的数据将被上锁（因为“锁标志”被当前线程拿走了），只有当前线程访问完它要访问的synchronized 数据时，当前线程才会释放“锁标志”，这样同一个对象的其它线程才有机会访问synchronized 数据。
示例3：
public class ThreadTest implements Runnable{ public synchronized void run(){ for(int i=0;i<10;i++){ System.out.print(" " + i); } } public static void main(String[] args){ Runnable r = new ThreadTest(); Thread t1 = new Thread(r); Thread t2 = new Thread(r); t1.start(); t2.start(); }}
如果你运行1000 次这个程序，它的输出结果也一定每次都是：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9。因为这里的synchronized 保护的是共享数据。t1,t2 是同一个对象（r）的两个线程，当其中的一个线程（例如：t1）开始执行run()方法时，由于run()受synchronized保护，所以同一个对象的其他线程（t2）无法访问synchronized 方法（run 方法）。只有当t1执行完后t2 才有机会执行。
示例4：
public class ThreadTest implements Runnable{ public void run(){ synchronized(this){ for(int i=0;i<10;i++){ System.out.print(" " + i); } } } public static void main(String[] args){ Runnable r = new ThreadTest(); Thread t1 = new Thread(r); Thread t2 = new Thread(r); t1.start(); t2.start(); } }
这个程序与示例3 的运行结果一样。在可能的情况下，应该把保护范围缩到最小，可以用示例4 的形式，this 代表“这个对象”。没有必要把整个run()保护起来，run()中的代码只有一个for循环，所以只要保护for 循环就可以了。
示例5：
public class ThreadTest implements Runnable{ public void run(){ for(int k=0;k<5;k++){ System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " : for loop : " + k); } synchronized(this){ for(int k=0;k<5;k++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " : synchronized for loop : " + k); }} } public static void main(String[] args){ Runnable r = new ThreadTest(); Thread t1 = new Thread(r,"t1_name"); Thread t2 = new Thread(r,"t2_name"); t1.start(); t2.start(); } }
运行结果：
t1_name : for loop : 0
t1_name : for loop : 1
t1_name : for loop : 2
t2_name : for loop : 0
t1_name : for loop : 3
t2_name : for loop : 1
t1_name : for loop : 4
t2_name : for loop : 2
t1_name : synchronized for loop : 0
t2_name : for loop : 3
t1_name : synchronized for loop : 1
t2_name : for loop : 4
t1_name : synchronized for loop : 2
t1_name : synchronized for loop : 3
t1_name : synchronized for loop : 4
t2_name : synchronized for loop : 0
t2_name : synchronized for loop : 1
t2_name : synchronized for loop : 2
t2_name : synchronized for loop : 3
t2_name : synchronized for loop : 4
第一个for 循环没有受synchronized 保护。对于第一个for 循环，t1,t2 可以同时访问。运行结果表明t1 执行到了k=2 时，t2 开始执行了。t1 首先执行完了第一个for 循环，此时t2还没有执行完第一个for 循环（t2 刚执行到k=2）。t1 开始执行第二个for 循环，当t1的第二个for 循环执行到k=1 时，t2 的第一个for 循环执行完了。t2 想开始执行第二个for 循环，但由于t1 首先执行了第二个for 循环，这个对象的锁标志自然在t1 手中（synchronized 方法的执行权也就落到了t1 手中），在t1 没执行完第二个for 循环的时候，它是不会释放锁标志的。所以t2 必须等到t1 执行完第二个for 循环后，它才可以执行第二个for 循环。
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三、wait与notify
wait():使一个线程处于等待状态，并且释放所持有的对象的lock。
sleep():使一个正在运行的线程处于睡眠状态，是一个静态方法，调用此方法要捕捉InterruptedException异常。
notify():唤醒一个处于等待状态的线程，注意的是在调用此方法的时候，并不能确切的唤醒某一个等待状态的线程，而是由JVM确定唤醒哪个线程，而且不是按优先级。
Allnotity():唤醒所有处入等待状态的线程，注意并不是给所有唤醒线程一个对象的锁，而是让它们竞争。
详细见：wait、notify、notifyAll的使用方法
四、使用特殊域变量(volatile)实现线程同步
//只给出要修改的代码，其余代码与上同 class Bank { //需要同步的变量加上volatile private volatile int account = 100; public int getAccount() { return account; } //这里不再需要synchronized public void save(int money) { account += money; } ｝
五、使用重入锁实现线程同步
ReentrantLock() : 创建一个ReentrantLock实例
lock() : 获得锁
unlock() : 释放锁
//只给出要修改的代码，其余代码与上同 class Bank { private int account = 100; //需要声明这个锁 private Lock lock = new ReentrantLock(); public int getAccount() { return account; } //这里不再需要synchronized public void save(int money) { lock.lock(); try{ account += money; }finally{ lock.unlock(); } } ｝
六、使用局部变量实现线程同步
ThreadLocal() : 创建一个线程本地变量 get() : 返回此线程局部变量的当前线程副本中的值 initialValue() : 返回此线程局部变量的当前线程的"初始值" set(T value) : 将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为value
//只改Bank类，其余代码与上同 public class Bank{ //使用ThreadLocal类管理共享变量account private static ThreadLocalaccount = new ThreadLocal (){ @Override protected Integer initialValue(){ return 100; } }; public void save(int money){ account.set(account.get()+money); } public int getAccount(){ return account.get(); } }
七、使用阻塞队列实现线程同步
前面5种同步方式都是在底层实现的线程同步，但是我们在实际开发当中，应当尽量远离底层结构。 使用javaSE5.0版本中新增的java.util.concurrent包将有助于简化开发。 本小节主要是使用LinkedBlockingQueue
注：BlockingQueue
add()方法会抛出异常
offer()方法返回false
put()方法会阻塞
7.使用原子变量实现线程同步
需要使用线程同步的根本原因在于对普通变量的操作不是原子的。
那么什么是原子操作呢？原子操作就是指将读取变量值、修改变量值、保存变量值看成一个整体来操作即-这几种行为要么同时完成，要么都不完成。在java的util.concurrent.atomic包中提供了创建了原子类型变量的工具类，使用该类可以简化线程同步。其中AtomicInteger 表可以用原子方式更新int的值，可用在应用程序中(如以原子方式增加的计数器)，但不能用于替换Integer；可扩展Number，允许那些处理机遇数字类的工具和实用工具进行统一访问。
AtomicInteger类常用方法：
AtomicInteger(int initialValue) : 创建具有给定初始值的新的
AtomicIntegeraddAddGet(int dalta) : 以原子方式将给定值与当前值相加
get() : 获取当前值
代码实例：
只改Bank类，其余代码与上面第一个例子同
class Bank { private AtomicInteger account = new AtomicInteger(100); public AtomicInteger getAccount() { return account; } public void save(int money) { account.addAndGet(money); } }
补充--原子操作主要有：
对于引用变量和大多数原始变量(long和double除外)的读写操作；
对于所有使用volatile修饰的变量(包括long和double)的读写操作。