「JAVA」Java 线程不安全分析，同步锁和Lock机制，哪个解决方案更好

Java 线程不安全分析及其解决方法

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：

小红、小强两个小朋友都抢到了14号气球

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

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

Lock 接口

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：

Lock 机制的官方demo

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。

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