Java 线程不安全分析，同步锁和Lock机制，哪个解决方案更好
线程不安全
线程不安全的问题分析：在小朋友抢气球的案例中模拟网络延迟来将问题暴露出来；示例代码如下：
public class ImplementsDemo {
public static void main(String []args) {
Balloon balloon = new Balloon();
new Thread(balloon, "小红").start();
new Thread(balloon, "小强").start();
new Thread(balloon, "小明").start();
}
}
// 气球
class Balloon extends Thread {
private int num = 50;
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 50; i++) {
if (num > 0) {
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢到了" + (num--) + "号气球")
}
}
}
}
在线程中的run方法上不能使用throws来声明抛出异常，所以在run方法中调用有可能出现异常的代码时，只能使用try-catch将其捕获来处理。
原因是：子类覆盖父类方法时不能抛出新的异常，父类的run方法都没有抛出异常，子类就更加不能抛出异常了。详情可查看我的另一篇文章 「JAVA」运行时异常、编译时异常、自定义异常，通过案例实践转译和异常链
在上述案例中，通过引入Thread.sleep();来模拟网络延迟，该方法的作用是让当前线程进入睡眠状态10毫秒，此时其他线程就可以去抢占资源了，方法的参数是睡眠时间，以毫秒为单位。
通过观察运行结果，发现了问题：
在运行结果中，小红、小强两个小朋友都抢到了14号气球，也就是14号气球被抢到了2次。我们来梳理线程的运行过程来看看发生了什么：
1.小强和小红两个线程都拿到了14号气球，由于线程调度，小强获得了CPU时间片，打印出了抢到的气球，而小红则进入睡眠；小强在打印后对num做了减一操作，此时num为13；
2.小明线程开始运行，抢到了13号气球，并对num做了减一操作，此时num为12；
3.小红线程醒来，打印出抢到的14号气球；此时的num为12，减一后结果为11；
4.由于多个线程是并发操作，所以对num做判断时可能上一个线程还未对num减一，故都能通过（num > 0）的判断；
然后再来运行上述代码，得出如下的结果：
运行结果中出现了本不该出现的0和-1，因为按照正常逻辑，气球数量到1之后就不应该被打印和减一了。出现这样的结果是因为出现了以下的执行步骤：
1.小红、小强、小明都同时抢到了1号气球，由于线程调度，小强获取了cpu时间片，得以执行，而小明和小红则进入睡眠；小强打印出结果后，对num减一，此时num为0；
2.小明醒来，获得的num为0，然后小明将num打印出来，再对num减一，此时num为-1；
3.小红醒来，获得的num为-1，随后小红将num打印出来，再对num减一，此时怒木为-2；
4.由于多个线程是并发操作，所以对num做判断时可能上一个线程还未对num减一，故都能通过（num > 0）的判断；
解决方案：
在案例中的抢气球其实是两步操作：先抢到气球，再对气球总数减一；既然是两步操作，在并发中就完全有可能会被分开执行，且执行顺序无法得到控制；
想要解决上述的线程不安全的问题，就必须要将这两步操作作为一个原子操作，保证其同步运行；也就是当一个线程A进入操作的时候，其他线程只能在操作外等待，只有当线程A执行完毕，其他线程才能有机会进入操作。
原子操作：不能被分割的操作，必须保证其从一而终完全执行，要么都执行，要么都不执行。
为解决多线程并发访问同一个资源的安全性问题，Java 提供如下了几种不同的同步机制：
1.同步代码块；
2.同步方法；
3.Lock 锁机制；
同步代码块
同步代码块： 为了保证线程能够正常执行原子操作，Java 引入了线程同步机制，其语法如下：
synchronized (同步锁) {
// 需要同步操作的代码
... ...
}
上述中同步锁，又称同步监听对象、同步监听器、互斥锁，同步锁是一个抽象概念，可以理解为在对象上标记了一把锁；
Java 中可以使用任何对象作为同步监听对象，但在项目开发中，我们会把当前并发访问的共享资源对象作为同步监听对象，在任何时候，最多只能运行一个线程拥有同步锁。
卫生间的使用就是一个很好的例子，一个卫生间在一段时间内只能被一个人使用，当一个人进入卫生间后，卫生间会被上锁，其他只能等待；只有当使用卫生间的人使用完毕，开锁后才能被下一个人使用。
然后就可以使用同步代码块来改写抢气球案例，示例代码如下：
public class ImplementsDemo {
public static void main(String []args) {
Balloon balloon = new Balloon();
new Thread(balloon, "小红").start();
new Thread(balloon, "小强").start();
new Thread(balloon, "小明").start();
}
}
// 气球
class Balloon implements Runnable {
private int num = 500;
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 500; i++) {
synchronized (this) {
if (num > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢到了"
+ num + "号气球");
num--;
}
}
}
}
}
通过查看运行结果，线程同步的问题已经得到解决。
同步方法
同步方法： 使用synchronized修饰的方法称为同步方法，能够保证当一个线程进入该方法的时候，其他线程在方法外等待。比如：
public synchronized void doSomething() {
// 方法逻辑
}
PS：方法修饰符不分先后顺序。
使用同步方法来改写抢气球案例，代码如下：
public class ImplementsDemo {
public static void main(String []args) {
Balloon balloon = new Balloon();
new Thread(balloon, "小红").start();
new Thread(balloon, "小强").start();
new Thread(balloon, "小明").start();
}
}
// 气球
class Balloon implements Runnable {
private int num = 500;
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 500; i++) {
grabBalloon();
}
}
// 抢气球
private synchronized void grabBalloon() {
if (num > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢到了"
+ num + "号气球");
num--;
}
}
}
注意：**不能使用synchronized修改线程类中的run方法，**因为使用之后，就会出现一个线程执行完了所有功能，多个线程出现串行；原本是多行道，使用synchronized修改线程类中的run方法，多行道变成了单行道。
synchronized 的好与坏
**好：**synchronized 保证了并发访问时的同步操作，避免了线程的安全性问题。
**坏：**使用synchronized 的方法、代码块的性能会比不用要低一些。
StringBuilder和StringBuffer
StringBuilder和StringBuffer 区别就在于StringBuffer中的方法都使用了synchronized修饰，StringBuilder中的方法没有使用synchronized修饰；这也是StringBuilder性能比StringBuffer高的主要原因。
Vector和ArrayList
两者都有同样的方法，有同样的实现算法，唯一不同就是Vector中的方法使用了synchronized修饰，所以Vector的性能要比ArrayList低。
Hashtable和HashMap
两者都有同样的方法，有同样的实现算法，唯一不同就是Hashtable中的方法使用了synchronized修饰，所以Hashtable的性能要比HashMap低。
volatile关键字
volatile 关键字的作用在于：被volatile 关键字修饰的变量的值，将不会被本地线程缓存，所有对该变量的读写都是直接操作共享内存，从而可以确保多个线程能正确处理该变量。
需要注意的是，volatile关键字可能会屏蔽虚拟机中的一些必要的优化操作，所以运行效率不是很高，因此，没有特别的需要，不要使用；即便使用，也要避免大量使用。
单例模式
单例模式–饿汉模式
代码如下：
public class SlackerDemo {
private SlackerDemo() {
}
private static SlackerDemo instance = null;
public static SlackerDemo getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new SlackerDemo();
}
return instance;
}
}
单例模式–懒汉模式
代码如下：
public class SlackerDemo {
private SlackerDemo() {
}
private static SlackerDemo instance = null;
public static SlackerDemo getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new SlackerDemo();
}
return instance;
}
}
懒汉模式存在线程不安全问题，在对instance对象做判断时由于并发导致出现和抢气球案例一样的问题。为了解决这个问题，使用双重检查加锁机制来解决。
双重检查加锁机制
使用“双重检查加锁”机制实现的程序，既能实现线程安全，有能够使性能不受较大的影响。那么何谓“双重检查加锁”机制？其指的是：
- 并不是每次进入getInstance方法都需要同步，而是先不同步，进入方法后，先检查实例是否存在，如果不存在才执行同步代码块，这是**第一重检查；
- 进入同步块后，再次检查实例是否存在，如果不存在，就在同步块中创建一个实例，这是第二重检查。
这样，就只需要同步一次，减少了多次在同步情况判断所浪费的时间。
“双重检查加锁”机制的实现需要volatile关键字的配合使用，且Java 版本需要在Java 5及以上，虽然该机制可实现线程安全的单例模式，也要根据实际情况酌情使用，不宜大量推广使用。
使用“双重检查加锁”机制改写后的懒汉模式，代码如下：
public class SlackerDemo {
private SlackerDemo() {
}
private static SlackerDemo instance = null;
public static SlackerDemo getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (SlackerDemo.class) {
if (instance == null) {
instance = new SlackerDemo();
}
}
}
return instance;
}
}
Lock 锁机制
java.util.concurrent.locks包提供了Lock接口，Lock锁机制提供了比synchronized代码块和synchronized方法更广泛的锁定操作，而且功能比synchronized代码块和synchronized方法更加强大。
官方的提供了参考价值很大的demo，能够很好的提现Lock机制的功能：
使用Lock 机制改写的抢气球案例代码如下所示：
import java.util.concurrent.locks.*;
public class LockDemo {
public static void main(String []args) {
Balloon balloon = new Balloon();
new Thread(balloon, "小红").start();
new Thread(balloon, "小强").start();
new Thread(balloon, "小明").start();
}
}
// 气球
class Balloon implements Runnable {
private int num = 500;
private final Lock lock = new ReentrantLock(); // 创建锁对象
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 500; i++) {
grabBalloon();
}
}
// 抢气球
private void grabBalloon() {
lock.lock(); // 获取锁对象
if (num > 0) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢到了"
+ num + "号气球");
num--;
} catch (Exception e) {
} finally {
lock.unlock(); // 释放锁
}
}
}
}
案例运行正常。