Java多线程4、5--线程同步与通信
4、线程同步
4.1 概念
**并发：**同一个对象被多个线程同时操作
生活中的线程同步：
- 银行取钱
- 食堂吃饭
**解决办法：**排队，一个一个来
**多线程问题：**处理多线程问题时，多个线程访问同一个对象，并且某些线程还想修改这个对象。这时候我们就需要线程同步，线程同步其实就是一种等待机制，多个需要同时访问此对象的线程进入这个对象的等待池形成队列，等待前面的线程使用完毕，下一个线程再使用
4.2 解决并存在的问题
**形成条件：**队列+锁 保证线程的安全
实现并存在的问题：
- 由于同一进程的多个线程共享同一块存储空间，在带来方便的同时，也带来了访问冲突问题，为了保证数据在方法中被访问时的正确性，在访问时加入锁机制synchronized，当一个线程获得对象的排它锁，独占资源，其他线程必须等待，使用后释放锁即可。但存在下列问题：
- 一个线程持有锁会导致其他所有需要此锁的线程挂起；
- 在多线程竞争下，加锁，释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时，引起性能问题；
- 如果一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁会导致优先级倒置，引起性能问题
4.3 线程不安全的例子：
//多个线程同时操作同一个对象
//1.买火车票的例子
//发现问题：多个线程操作同一个资源的情况下,线程不安全,数据紊乱
//买火车票的例子
public class UnSafeByTicket {
public static void main(String[] args) {
BuyTicket ticket = new BuyTicket();
new Thread(ticket,"小明").start();
new Thread(ticket,"巴巴").start();
new Thread(ticket,"黄牛").start();
}
}
class BuyTicket implements Runnable{
//票数
private int ticketNums =10;
boolean flag =true;//外部停止方式
@Override
public void run() {
while (flag){
try {
buy();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
private void buy() throws InterruptedException {
//判断是否有票
if(ticketNums<=0){
flag=false;
return;
}
//模拟延时
Thread.sleep(200);
//买票
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"拿到了第"+ticketNums--+"票");
}
}
/*存在-1张票
黄牛拿到了第10票
巴巴拿到了第9票
小明拿到了第8票
巴巴拿到了第7票
黄牛拿到了第6票
小明拿到了第5票
巴巴拿到了第4票
黄牛拿到了第3票
小明拿到了第2票
巴巴拿到了第0票
黄牛拿到了第1票
小明拿到了第-1票
*/
//2.不安全的取钱
//两个人去银行取钱,账户
public class UnSafeBank {
public static void main(String[] args) {
//账户
Acount acount = new Acount(100,"结婚基金");
Drawing you = new Drawing(acount, 50, "你");
Drawing girlFriend = new Drawing(acount, 100, "媳妇");
you.start();
girlFriend.start();
}
}
//账户
class Acount{
int money;//余额
String name;//卡名
public Acount(int money, String name) {
this.money = money;
this.name = name;
}
}
//银行
class Drawing extends Thread{
Acount acount;//账户
int drawingMoney;//取了多少钱
int nowMoney;//现在手里有多少钱
public Drawing(Acount acount,int drawingMoney,String name){
super(name);
this.acount=acount;
this.drawingMoney=drawingMoney;
}
@Override
public void run() {
//判断钱够不够取
if (acount.money-drawingMoney<0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"钱不够了,取不了");
return;
}
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//卡内的余额=余额 - 你取的钱
acount.money=acount.money-drawingMoney;
nowMoney=nowMoney + drawingMoney;
System.out.println(acount.name+"余额为"+acount.money);
System.out.println(this.getName()+"手里的钱"+nowMoney);
}
}
/* 结果 余额为-50
结婚基金余额为-50
结婚基金余额为-50
媳妇手里的钱100
你手里的钱50
* */
//3.线程不安全的集合
public class UnSafeList {
public static void main(String[] args) {
List<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
new Thread(()->{
list.add(Thread.currentThread().getName());
}).start();
}
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(list.size());
}
}
/* 结果达不到10000
9998
* */
4.4 线程同步
4.4.1 同步方法
-
由于我们可以通过private关键字来保证数据对象只能被方法访问，所以我们只需要针对方法提出一套机制，这套机制就是synchronized关键字，它包括两种用法：
synchronized方法和synchronized块.
同步方法：public synchronized void method(int args){} -
synchronized方法控制对"对象"的访问，每个对象对应一把锁，每个synchronized方法都必须获得调用该方法的对象的锁才能执行，否则线程会阻塞，方法一旦执行，就独占该锁，直到该方法返回才释放锁，后面被阻塞的线程才能获得这个锁，继续执行
缺陷：若将一个大的方法申明为synchronized将会影响效率
4.4.2 同步块
- 同步块：synchronized(Obj){}
- Obj称之为同步监视器
- Obj可以是任何对象，但是推荐使用共享资源作为同步监视器
- 同步方法中无需指定同步监视器，因为同步方法的同步监视器就是this，就是这个对象本身，或者是class[反射中讲解]
- 同步监视器执行的过程
- 第一个线程访问，锁定同步监视器，执行其中代码
- 第二个线程访问，发现同步监视器被锁定，无法访问
- 第一个线程访问完毕，解锁同步监视器
- 第二个线程访问，发现同步监视器没有锁，然后锁定并访问
4.5 线程同步实例：
public class UnSafeByTicket {
public static void main(String[] args) {
BuyTicket ticket = new BuyTicket();
new Thread(ticket,"小明").start();
new Thread(ticket,"巴巴").start();
new Thread(ticket,"黄牛").start();
}
}
class BuyTicket implements Runnable{
//票数
private int ticketNums =10;
boolean flag =true;//外部停止方式
@Override
public synchronized void run() {
while (flag){
try {
buy();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
//synchronized 同步方法,锁定是this
private void buy() throws InterruptedException {
//判断是否有票
if(ticketNums<=0){
flag=false;
return;
}
//模拟延时
Thread.sleep(200);
//买票
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"拿到了第"+ticketNums--+"票");
}
}
public class UnSafeBank {
public static void main(String[] args) {
//账户
Acount acount = new Acount(100,"结婚基金");
Drawing you = new Drawing(acount, 50, "你");
Drawing girlFriend = new Drawing(acount, 100, "媳妇");
you.start();
girlFriend.start();
}
}
//账户
class Acount{
int money;//余额
String name;//卡名
public Acount(int money, String name) {
this.money = money;
this.name = name;
}
}
//银行
class Drawing extends Thread{
Acount acount;//账户
int drawingMoney;//取了多少钱
int nowMoney;//现在手里有多少钱
public Drawing(Acount acount,int drawingMoney,String name){
super(name);
this.acount=acount;
this.drawingMoney=drawingMoney;
}
@Override
public void run() {
//锁的对象就是变化的量,需要增删改的对象
synchronized (acount){
//判断钱够不够取
if (acount.money-drawingMoney<0){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"钱不够了,取不了");
return;
}
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//卡内的余额=余额 - 你取的钱
acount.money=acount.money-drawingMoney;
nowMoney=nowMoney + drawingMoney;
System.out.println(acount.name+"余额为"+acount.money);
System.out.println(this.getName()+"手里的钱"+nowMoney);
}
}
}
public class UnSafeList {
public static void main(String[] args) {
List<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
new Thread(()->{
synchronized (list){
list.add(Thread.currentThread().getName());
}
}).start();
}
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(list.size());
}
}
4.6 死锁
产生：
- 多个线程各自占有一些共享资源，并且互相等待其他线程占有的资源才能运行，而导致两个或者多个线程都在等待对方释放资源，都停止执行的情形，某一个同步块同时拥有“两个以上对象的锁”时，就可能会发生“死锁”的问题
实例：
//死锁：多个线程互相抱着对方需要的资源,探后形成僵持
public class DeadLock {
public static void main(String[] args) {
Makeup g1 = new Makeup(0, "灰姑娘");
Makeup g2 = new Makeup(1, "白雪公主");
g1.start();
g2.start();
}
}
//口红
class LipStick{
}
//镜子
class Mirror{
}
class Makeup extends Thread{
//需要的资源只有一份,用static来保证只有一份
static LipStick lipStick=new LipStick();
static Mirror mirror=new Mirror();
int choice;//选择
String girlName;//使用化妆品的人
Makeup(int choice,String girlName){
this.choice=choice;
this.girlName=girlName;
}
@Override
public void run() {
//化妆
try {
makeup();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
private void makeup() throws InterruptedException {
if (choice==0){
synchronized (lipStick){
//获得口红的锁
System.out.println(this.girlName+"获得口红的锁");
Thread.sleep(1000);
synchronized (mirror){
//一秒后想获得镜子的锁
System.out.println(this.girlName+"获得镜子的锁");
}
}
}else{
synchronized (mirror){
//获得镜子的锁
System.out.println(this.girlName+"获得镜子的锁");
Thread.sleep(2000);
synchronized (lipStick){
//一秒后想获得口红的锁
System.out.println(this.girlName+"获得口红的锁");
}
}
}
}
}
避免方法：
- 产生死锁的四个必要条件
- 互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。
- 请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
- 不剥夺条件：进程已获得的资源，在未使用完之前，不能强行剥夺。
- 循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
上面列出了死锁的四个必要条件，我们只要想办法破其中的任意一个或多个条件就可以避免死锁发生
4.7 Lock(锁)
说明：
- 从JDK5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制——通过显示定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用Lock对象充当
- java.util.concurrent.locks.Lock接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一个线程对Lock对象加锁，线程开始访问共享资源之前应先获得Lock对象
- ReentrantLock(可重入锁)类实现了Lock，它拥有与synchronized相同的并发性和内存语义，在实现线程安全的控制中，比较常用的是ReentrantLock，可以显式加锁、释放锁。
实例：
//测试Lock锁
public class TestLock {
public static void main(String[] args) {
TestLock2 testLock2 = new TestLock2();
new Thread(testLock2).start();
new Thread(testLock2).start();
new Thread(testLock2).start();
}
}
class TestLock2 implements Runnable{
int ticketNums =10;
//定义Lock锁
private final ReentrantLock lock=new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
while (true){
try {
lock.lock();//加锁
if (ticketNums>0){
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(ticketNums--);
}else {
break;
}
}finally {
//解锁
lock.unlock();
}
}
}
}
与synchronized对比：
- Lock是显式锁(手动开启和关闭锁，别忘记关闭锁)synchronized是隐式锁，出了作用域自动释放
- Lock锁只有代码块，synchronized有代码块锁和方法锁
- 使用lock锁，JVM将花费较少的时间来调度线程，性能更好。并且有更好的扩展性(提供更多的子类)
- 优先使用顺序：
- Lock > 同步代码块(已经进入了方法体，分配了相应的资源) > 同步方法(在方法体之外)
5、线程通信问题
5.1 应用场景
生产者和消费者问题：
- 假设仓库中只能存放一件商品，生产者将生产出来的产品放入仓库，消费者将仓库中的产品取走消费
- 如果仓库中没有产品，则生产者将产品放入仓库，否则停止生产并等待，知道仓库中的产品被消费者取走为止
- 如果仓库中放有产品，则消费者可以将产品取走消费，否则停止消费并等待，直到仓库中再次放入产品为止。
5.2 问题分析
这是一个线程同步问题，生产者和消费者共享同一个资源，并且生产者和消费者之间互相依赖，互为条件。
- 对于生产者，没有生产产品之前，要通知消费者等待，而生产了产品之后，又需要马上通知消费者消费
- 对于消费者，在消费之后，要通知生产者已经结束消费，需要生产新的产品以供消费。
- 在生产者消费者问题中，仅有synchronized是不够的
- synchronized可阻止并发更新同一个共享资源，实现了同步
- synchronized不能用来实现不同线程之间的消息传递(通信)
5.3 线程通信方法
- java提供了几个方法解决线程之间的通信问题
【注意：均是Object类的方法，都只能在同步方法或者同步代码中使用，否则会抛出异常IlLeagalMonitorStateException】
5.4 解决方式
5.4.1 管程法
- 生产者：负责生产数据的模块(可能是方法，对象，线程，进程)；
- 消费者；负责处理数据的模块(可能是方法，对象，线程，进程)；
- 缓冲区：消费者不能直接使用生产者的数据，他们之间有个“缓冲区”
生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据
实例：
//测试：生产者消费者模型-->利用缓冲区解决：管程法
//生产者,消费者,产品,缓冲区
public class TestPC {
public static void main(String[] args) {
SynContainer container = new SynContainer();
new Productor(container).start();
new Consumer(container).start();
}
}
//生产者
class Productor extends Thread{
SynContainer container;
public Productor(SynContainer container){
this.container=container;
}
//生产
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
container.push(new Chicken(i));
}
}
}
//消费者
class Consumer extends Thread{
SynContainer container;
public Consumer(SynContainer container){
this.container=container;
}
//消费
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
int id =container.pop().id;
}
}
}
//产品
class Chicken{
int id;//产品编号
public Chicken(int id){
this.id =id ;
}
}
//缓冲区
class SynContainer{
//需要一个容器大小
Chicken[] chickens=new Chicken[10];
//容器计数器
int count=0;
//生产者放入产品
public synchronized void push(Chicken chicken){
//如果容器满了,就需要等待消费者消费
if(count==chickens.length){
//生产者等待
try {
System.out.println("生产者等待");
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//如果没有满,我们就丢入产品
chickens[count]=chicken;
count++;
System.out.println("生产了一只鸡");
System.out.println("容器内有"+count+"只鸡");
//可以通知消费者消费了
this.notifyAll();
}
//消费者消费产品
public synchronized Chicken pop(){
//判断能否消费
if (count==0){
//等待生产者生成,消费者等待
try {
System.out.println("消费者等待");
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//如果可以消费
count--;
System.out.println("消费了一只鸡");
System.out.println("容器内有"+count+"只鸡");
Chicken chicken=chickens[count];
//吃完了,通知生产者生产
this.notifyAll();
return chicken;
}
}
5.4.2 信号灯法
- 通过设置标志位来控制消费者/生产者是等待还是通知对方
实例：
//测试生产者消费者问题2：信号灯法,标志位解决
public class TestPc2 {
public static void main(String[] args) {
TV tv = new TV();
new Player(tv).start();
new Watcher(tv).start();
}
}
//生产者-->演员
class Player extends Thread{
TV tv;
public Player(TV tv){
this.tv=tv;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
if (i%2==0){
this.tv.play("快乐大本营");
}else {
this.tv.play("抖音:记录美好生活");
}
}
}
}
//消费者-->观众
class Watcher extends Thread{
TV tv;
public Watcher(TV tv){
this.tv=tv;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
tv.watch();
}
}
}
//产品-->节目
class TV{
//演员表演,观众等待 T
//观众观看,演员等待 F
String voice; //表演的节目
boolean flag=true;
//表演
public synchronized void play(String voice){
if (!flag){
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("演员表演了:"+voice);
//通知观众观看
this.notifyAll();
this.voice=voice;
this.flag=!this.flag;
}
public synchronized void watch(){
if (flag){
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("观众观看了:"+voice);
//通知演员表演
this.notifyAll();
this.flag=!this.flag;
}
}
5.5 线程池
5.5.1 使用线程池
-
背景：经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大。
-
思路：提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池中。
可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。类似生活中的公共交通工具。
-
好处：
- 提高响应速度(减少了创建新线程的时间)
- 提高资源消耗(重复利用线程池中线程，不需要每次都创建)
- 便于线程管理(…)
- corePoolSize：核心池的大小
- maximumPoolSize：最大线程数
- keepAliveTime：线程没有任务时最多保持多长时间后会终止
5.5.2 工具类
- JDK 5.0起提供了线程池相关API：ExecutorService和Executors
- ExecutorService：真正的线程池接口。常见子类ThreadPoolExecutor
- void execute(Runnable command)：执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行Runnable
- Future submit(Callable task)：执行任务，有返回值，一般用来执行Callable
- void shutdown()：关闭连接池
- Executors：工具类、线程池的工厂类，用于创建并返回不同类型的线程池
实例：
//测试线程池
public class TestPool {
public static void main(String[] args) {
//1.创建服务,创建线程池
//newFixedThreadPool 参数为线程池大小
ExecutorService service= Executors.newFixedThreadPool(10);
//执行
service.execute(new MyThread());
service.execute(new MyThread());
service.execute(new MyThread());
service.execute(new MyThread());
//关闭连接
service.shutdown();
}
}
class MyThread implements Runnable{
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+i);
}
}
}
java学习找狂神：B站狂神说java-宝藏男孩