Java面试--线程同步方法

面试题：线程同步有几种方法(百度面试题)
面试题：线程安全解释一下(大疆面试题)

为什么要线程同步？
当使用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。
演示一下上述不同步的银行账户的例子：
银行类：

public class Bank {
    private int count =0;//账户余额
    public  void addMoney(int money){   //存钱
        count +=money;
        System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money);
    }
    public  void subMoney( int money ){   //取钱
        if( count - money < 0){
            System.out.println("余额不足");   //如果钱不够则输出余额不足
            return;
        }
        count -= money;    //否则取出钱
        System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
    }
    public void lookMoney() {    //查询
        System.out.println("账户余额：" + count);
    }
}

两个账户取钱：

public class SyncThreadTest {
    public static void main(String args[]){
        final Bank bank=new Bank();     //创建银行类
        Thread tadd=new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while(true){
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    bank.addMoney(100);      //取出钱
                    bank.lookMoney();        //查看钱
                    System.out.println("\n");
                }
            }
        });
        Thread tsub = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while(true){
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    bank.subMoney(100);
                    bank.lookMoney();
                    System.out.println("\n");
                }
            }
        });
        tsub.start();
        tadd.start();
    }
}

输出结果：

余额不足
账户余额：0

1532158239237存进：100
账户余额：100

1532158240237取出：100
账户余额：0

1532158240240存进：100
账户余额：100

结果比较乱。接下来我们使用同步的方法：
（1）Synchronized关键字
Java语言中，每个对象都有一个对象锁与之对应，这个锁表明，任何时候只允许被一个线程拥有，当一个线程调用对象的一段Synchronized代码时，需要先获取这个锁，然后执行这段代码，执行结束后，释放锁。
这样我们就能将Bank这个类进行修改：

public class Bank {
    private int count =0;      //账户余额
    public  synchronized void addMoney(int money){   //存钱
        count += money;
        System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money);
    }
    public synchronized void subMoney( int money ){   //取钱
        if( count - money < 0){
            System.out.println("余额不足");
            return;
        }
        count -= money;
        System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
    }
    public void lookMoney() {    //查询
        System.out.println("账户余额：" + count);
    }
}
//运行结果：
余额不足
账户余额：0

1532158790233存进：100
账户余额：100

1532158791238取出：100
账户余额：0

上面的方法，synchronized修饰在了方法上面，如果修饰静态方法，此时如果调用该静态方法，将会锁住整个类。
synchronized还可以修饰语句块，称之为同步代码块。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：

public class Bank {
    private int count = 0;//账户余额
    public void addMoney(int money) {   //存钱
        synchronized (this) {
            count += money;
        }
        System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进：" + money);
    }
    public void subMoney(int money) {   //取钱
        synchronized (this) {
            if (count - money < 0) {
                System.out.println("余额不足");
                return;
            }
            count -= money;
        }
        System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money);
    }
    public void lookMoney() {  //查询
        System.out.println("账户余额：" + count);
    }
}

运行效果和同步方法差不多。
注意：
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。
（2）使用Volatile关键字实现线程同步
Volatile关键字的主要作用有两个：
① 内存可见性，即线程A对volatile变量的修改，其他线程获取的volatile变量都是最新的。
② 可以禁止指令重排序

public class Bank {
    private volatile int count =0;      //账户余额
    public void addMoney(int money){   //存钱
        count += money;
        System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money);
    }
    public void subMoney( int money ){   //取钱
        if( count - money < 0){
            System.out.println("余额不足");
            return;
        }
        count -= money;
        System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
    }
    public void lookMoney() {    //查询
        System.out.println("账户余额：" + count);
    }
}
//运行结果正常

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。
（3）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

public class Bank {
    private int count =0;      //账户余额
    //需要声明这个锁
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    public void addMoney(int money){   //存钱
        lock.lock();
        try {
            count += money;
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进：" + money);
        }
        finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public void subMoney( int money ) {   //取钱
        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();
        }
    }
    public void lookMoney() {    //查询
        System.out.println("账户余额：" + count);
    }
}

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
（4）使用局部变量实现线程同步
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。

public class Bank {
    //创建一个线程本地变量
    private static ThreadLocal count = new ThreadLocal(){
        @Override
        protected Integer initialValue() {    //返回此线程局部变量的当前线程的"初始值"
            return 0;
        }
    };
    public void addMoney(int money){       //存钱
        count.set(count.get()+money);
        System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进：" + money);

    }
    public void subMoney( int money ) {    //取钱
        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);
    }
    public void lookMoney() {    //查询
        System.out.println("账户余额：" + count.get());
    }
}

（5）使用阻塞队列实现线程同步
前面几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。
这里使用LinkedBlockingQueue来实现线程的同步
LinkedBlockingQueue是一个先进先出的顺序（FIFO）的阻塞队列
LinkedBlockingQueue 类常用方法：

//LinkedBlockingQueue() : 创建一个容量为Integer.MAX_VALUE的LinkedBlockingQueue 
//put(E e) : 在队尾添加一个元素，如果队列满则阻塞 
//size() : 返回队列中的元素个数 
//take() : 移除并返回队头元素，如果队列空则阻塞 

（6）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。
AtomicInteger类常用方法：
AtomicInteger(int initialValue) : 创建具有给定初始值的新的AtomicInteger
addAddGet(int dalta) : 以原子方式将给定值与当前值相加
get() : 获取当前值

class MyThread implements Runnable {
    static AtomicInteger ai=new AtomicInteger(0);
    public void run() {
        for (int m = 0; m < 1000000; m++) {
            ai.getAndIncrement();
        }
    }
};
public class TestAtomicInteger {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyThread mt = new MyThread();
        Thread t1 = new Thread(mt);
        Thread t2 = new Thread(mt);
        t1.start();
        t2.start();
        Thread.sleep(500);
        System.out.println(MyThread.ai.get());
    }
}
//运行结果都是：20000000，证明时线程安全的。

（7）wait(）方法与notify() 方法

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