Java 多线程之线程安全

1.1 线程安全

如果有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。程序每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。

l 我们通过一个案例，演示线程的安全问题：

电影院要卖票，我们模拟电影院的卖票过程。假设要播放的电影是 “功夫熊猫3”，本次电影的座位共100个(本场电影只能卖100张票)。

我们来模拟电影院的售票窗口，实现多个窗口同时卖 “功夫熊猫3”这场电影票(多个窗口一起卖这100张票)

需要窗口，采用线程对象来模拟；需要票，Runnable接口子类来模拟

l 测试类

public class ThreadDemo {

public static void main(String[] args) {

//创建票对象

Ticket ticket = new Ticket();

//创建3个窗口

Thread t1  = new Thread(ticket, "窗口1");

Thread t2  = new Thread(ticket, "窗口2");

Thread t3  = new Thread(ticket, "窗口3");

t1.start();

t2.start();

t3.start();

}

}

l 模拟票

public class Ticket implements Runnable {

//共100票

int ticket = 100;

 

@Override

public void run() {

//模拟卖票

while(true){

if (ticket > 0) {

//模拟选坐的操作

try {

Thread.sleep(1);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);

}

}

}

}

运行结果发现：上面程序出现了问题

l 票出现了重复的票

l 错误的票 0、-1

 

其实，线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；若有多个线程同时执行写操作，一般都需要考虑线程同步，否则的话就可能影响线程安全。

 

1.2 线程同步（线程安全处理Synchronized）

java中提供了线程同步机制，它能够解决上述的线程安全问题。

线程同步的方式有两种：

l 方式1：同步代码块

l 方式2：同步方法

1.2.1 同步代码块

同步代码块: 在代码块声明上 加上synchronized

synchronized (锁对象) {

可能会产生线程安全问题的代码

}

同步代码块中的锁对象可以是任意的对象；但多个线程时，要使用同一个锁对象才能够保证线程安全。

 

使用同步代码块，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：

public class Ticket implements Runnable {

//共100票

int ticket = 100;

//定义锁对象

Object lock = new Object();

@Override

public void run() {

//模拟卖票

while(true){

//同步代码块

synchronized (lock){

if (ticket > 0) {

//模拟电影选坐的操作

try {

Thread.sleep(10);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);

}

}

}

}

}

当使用了同步代码块后，上述的线程的安全问题，解决了。

1.2.2 同步方法

l 同步方法：在方法声明上加上synchronized

public synchronized void method(){

   可能会产生线程安全问题的代码

}

同步方法中的锁对象是 this

使用同步方法，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：

public class Ticket implements Runnable {

//共100票

int ticket = 100;

//定义锁对象

Object lock = new Object();

@Override

public void run() {

//模拟卖票

while(true){

//同步方法

method();

}

}

 

//同步方法,锁对象this

public synchronized void method(){

if (ticket > 0) {

//模拟选坐的操作

try {

Thread.sleep(10);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);

}

}

}

 

l 静态同步方法: 在方法声明上加上static synchronized

public static synchronized void method(){

可能会产生线程安全问题的代码

}

静态同步方法中的锁对象是 类名.class

 

1.3 死锁

同步锁使用的弊端：当线程任务中出现了多个同步(多个锁)时，如果同步中嵌套了其他的同步。这时容易引发一种现象：程序出现无限等待，这种现象我们称为死锁。这种情况能避免就避免掉。

synchronzied(A锁){

synchronized(B锁){

         

}

}

 

我们进行下死锁情况的代码演示：

l 定义锁对象类

public class MyLock {

public static final Object lockA = new Object();

public static final Object lockB = new Object();

}

 

l 线程任务类

public class ThreadTask implements Runnable {

int x = new Random().nextInt(1);//0,1

//指定线程要执行的任务代码

@Override

public void run() {

while(true){

if (x%2 ==0) {

//情况一

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 {

//情况二

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++;

}

}

}

 

l 测试类

public class ThreadDemo {

public static void main(String[] args) {

//创建线程任务类对象

ThreadTask task = new ThreadTask();

//创建两个线程

Thread t1 = new Thread(task);

Thread t2 = new Thread(task);

//启动线程

t1.start();

t2.start();

}

}

1.4 Lock接口

查阅API，查阅Lock接口描述，Lock 实现提供了比使用 synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。

l Lock接口中的常用方法

 

Lock提供了一个更加面对对象的锁，在该锁中提供了更多的操作锁的功能。

我们使用Lock接口，以及其中的lock()方法和unlock()方法替代同步，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：

public class Ticket implements Runnable {

//共100票

int ticket = 100;

//创建Lock锁对象

Lock ck = new ReentrantLock();

@Override

public void run() {

//模拟卖票

while(true){

//synchronized (lock){

ck.lock();

if (ticket > 0) {

//模拟选坐的操作

try {

Thread.sleep(10);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);

}

ck.unlock();

//}

}

}

}

 

1.5 等待唤醒机制

在开始讲解等待唤醒机制之前，有必要搞清一个概念——线程之间的通信：多个线程在处理同一个资源，但是处理的动作（线程的任务）却不相同。通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。而这种手段即—— 等待唤醒机制。

等待唤醒机制所涉及到的方法：

l wait（） :等待，将正在执行的线程释放其执行资格 和 执行权，并存储到线程池中。

l notify（）：唤醒，唤醒线程池中被wait（）的线程，一次唤醒一个，而且是任意的。

l notifyAll（）： 唤醒全部：可以将线程池中的所有wait() 线程都唤醒。

其实，所谓唤醒的意思就是让 线程池中的线程具备执行资格。必须注意的是，这些方法都是在 同步中才有效。同时这些方法在使用时必须标明所属锁，这样才可以明确出这些方法操作的到底是哪个锁上的线程。

仔细查看JavaAPI之后，发现这些方法 并不定义在 Thread中，也没定义在Runnable接口中，却被定义在了Object类中，为什么这些操作线程的方法定义在Object类中？

因为这些方法在使用时，必须要标明所属的锁，而锁又可以是任意对象。能被任意对象调用的方法一定定义在Object类中。

 

接下里，我们先从一个简单的示例入手:

如上图说示，输入线程向Resource中输入name ,sex , 输出线程从资源中输出，先要完成的任务是：

l 1.当input发现Resource中没有数据时，开始输入，输入完成后，叫output来输出。如果发现有数据，就wait();

l 2.当output发现Resource中没有数据时，就wait() ；当发现有数据时，就输出，然后，叫醒input来输入数据。

 

下面代码，模拟等待唤醒机制的实现：

l 模拟资源类

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();

}

// 设置成员变量

this.name = name;

this.sex = sex;

// 设置之后，Resource中有值，将标记该为 true ,

flag = true;

// 唤醒output

this.notify();

}

 

public synchronized void out() {

if (!flag)

try {

wait();

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

// 输出线程将数据输出

System.out.println("姓名: " + name + "，性别: " + sex);

// 改变标记，以便输入线程输入数据

flag = false;

// 唤醒input，进行数据输入

this.notify();

}

}

 

l 输入线程任务类

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");

}

// 在两个数据之间进行切换

count = (count + 1) % 2;

}

}

}

 

l 输出线程任务类

public class Output implements Runnable {

private Resource r;

 

public Output(Resource r) {

this.r = r;

}

 

@Override

public void run() {

while (true) {

r.out();

}

}

}

 

l 测试类

public class ResourceDemo {

public static void main(String[] args) {

// 资源对象

Resource r = new Resource();

// 任务对象

Input in = new Input(r);

Output out = new Output(r);

// 线程对象

Thread t1 = new Thread(in);

Thread t2 = new Thread(out);

// 开启线程

t1.start();

t2.start();

}

}

 

 

第2章 总结

2.1 知识点总结

l 同步锁

多个线程想保证线程安全，必须要使用同一个锁对象

l 同步代码块

         synchronized (锁对象){

    可能产生线程安全问题的代码

}

同步代码块的锁对象可以是任意的对象

 

l 同步方法

         public synchronized void method()

              可能产生线程安全问题的代码

}

同步方法中的锁对象是 this

 

l 静态同步方法

public synchronized void method()

              可能产生线程安全问题的代码

}

静态同步方法中的锁对象是 类名.class

 

l 多线程有几种实现方案，分别是哪几种?

a, 继承Thread类

b, 实现Runnable接口

c, 通过线程池，实现Callable接口

 

l 同步有几种方式，分别是什么?

a,同步代码块

b,同步方法

  静态同步方法

 

l 启动一个线程是run()还是start()?它们的区别?

启动一个线程是start()

区别：

start： 启动线程，并调用线程中的run()方法

run  : 执行该线程对象要执行的任务

 

l sleep()和wait()方法的区别

sleep: 不释放锁对象, 释放CPU使用权

在休眠的时间内，不能唤醒

wait(): 释放锁对象, 释放CPU使用权

在等待的时间内，能唤醒

 

l 为什么wait(),notify(),notifyAll()等方法都定义在Object类中

锁对象可以是任意类型的对象