java线程安全问题及解决
文章目录
- 为什么有线程问题
- 同步机制解决线程安全问题
- 单例设计模式的线程安全问题
- JDK5.0新特性：Lock(锁)
- 同步操作的思考顺序
为什么有线程问题
当我们使用多个线程访问同一资源（可以是同一个变量、同一个文件、同一条记录等）的时候，若多个线程只有读操作，那么不会发生线程安全问题。但是如果多个线程中对资源有读和写的操作，就容易出现线程安全问题。
案例：
火车站要卖票，我们模拟火车站的卖票过程。因为疫情期间，本次列车的座位共100个（即，只能出售100张火车票）。我们来模拟车站的售票窗口，实现多个窗口同时售票的过程。注意：不能出现错票、重票。
1.静态变量是共享的
class TicketSaleThread extends Thread {
private static int ticket = 100;
public void run() {
while (ticket > 0) {
try {
Thread.sleep(10);//加入这个，使得问题暴露的更明显
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
ticket--;
}
}
}
public class SaleTicketDemo3 {
public static void main(String[] args) {
TicketSaleThread t1 = new TicketSaleThread();
TicketSaleThread t2 = new TicketSaleThread();
TicketSaleThread t3 = new TicketSaleThread();
t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t3.setName("窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
2.抽取资源类，共享同一个资源对象
class TicketSaleRunnable implements Runnable {
private int ticket = 100;
public void run() {
while (ticket > 0) {
try {
Thread.sleep(10);//加入这个，使得问题暴露的更明显
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
ticket--;
}
}
}
public class SaleTicketDemo4 {
public static void main(String[] args) {
TicketSaleRunnable tr = new TicketSaleRunnable();
Thread t1 = new Thread(tr, "窗口一");
Thread t2 = new Thread(tr, "窗口二");
Thread t3 = new Thread(tr, "窗口三");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
但是线程还是不安全，有重复票或负数票问题。
同步机制解决线程安全问题
要解决上述多线程并发访问一个资源的安全性问题:也就是解决重复票与不存在票问题，Java中提供了同步机制
(synchronized)来解决。
同步代码块和同步方法:
同步代码块：synchronized 关键字可以用于某个区块前面，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。
格式:
synchronized(同步锁){
需要同步操作的代码
}
同步方法:synchronized 关键字直接修饰方法，表示同一时刻只有一个线程能进入这个方法，其他线程在外面等着。
public synchronized void method(){
可能会产生线程安全问题的代码
}
代码演示:
示例一：静态方法加锁
class TicketSaleThread extends Thread{
private static int ticket = 100;
public void run(){//直接锁这里，肯定不行，会导致，只有一个窗口卖票
while (ticket > 0) {
saleOneTicket();
}
}
public synchronized static void saleOneTicket(){//锁对象是TicketSaleThread类的Class对象，而一个类的Class对象在内存中肯定只有一个
if(ticket > 0) {//不加条件，相当于条件判断没有进入锁管控，线程安全问题就没有解决
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
ticket--;
}
}
}
public class SaleTicketDemo3 {
public static void main(String[] args) {
TicketSaleThread t1 = new TicketSaleThread();
TicketSaleThread t2 = new TicketSaleThread();
TicketSaleThread t3 = new TicketSaleThread();
t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t3.setName("窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
示例二：非静态方法加锁
public class SaleTicketDemo4 {
public static void main(String[] args) {
TicketSaleRunnable tr = new TicketSaleRunnable();
Thread t1 = new Thread(tr, "窗口一");
Thread t2 = new Thread(tr, "窗口二");
Thread t3 = new Thread(tr, "窗口三");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
class TicketSaleRunnable implements Runnable {
private int ticket = 100;
public void run() {//直接锁这里，肯定不行，会导致，只有一个窗口卖票
while (ticket > 0) {
saleOneTicket();
}
}
public synchronized void saleOneTicket() {//锁对象是this，这里就是TicketSaleRunnable对象，因为上面3个线程使用同一个TicketSaleRunnable对象，所以可以
if (ticket > 0) {//不加条件，相当于条件判断没有进入锁管控，线程安全问题就没有解决
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
ticket--;
}
}
}
示例三：同步代码块,synchronized传的对象必须唯一
public class SaleTicketDemo5 {
public static void main(String[] args) {
//2、创建资源对象
Ticket ticket = new Ticket();
//3、启动多个线程操作资源类的对象
Thread t1 = new Thread("窗口一") {
public void run() {//不能给run()直接加锁，因为t1,t2,t3的三个run方法分别属于三个Thread类对象，
// run方法是非静态方法，那么锁对象默认选this，那么锁对象根本不是同一个
while (true) {
synchronized (ticket) {
ticket.sale();
}
}
}
};
Thread t2 = new Thread("窗口二") {
public void run() {
while (true) {
synchronized (ticket) {
ticket.sale();
}
}
}
};
Thread t3 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
while (true) {
synchronized (ticket) {
ticket.sale();
}
}
}
}, "窗口三");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
//1、编写资源类
class Ticket {
private int ticket = 1000;
public void sale() {//也可以直接给这个方法加锁，锁对象是this，这里就是Ticket对象
if (ticket > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
ticket--;
} else {
throw new RuntimeException("没有票了");
}
}
public int getTicket() {
return ticket;
}
}
例题：使用两个线程打印 1-100。线程1, 线程2 交替打印
class Communication implements Runnable {
int i = 1;
public void run() {
while (true) {
synchronized (this) {
notify();
if (i <= 100) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i++);
} else
break;
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
调用wait和notify需注意的细节
- wait方法与notify方法必须要由
同一个锁对象调用。因为：对应的锁对象可以通过notify唤醒使用同一个锁对象调用的wait方法后的线程。 - wait方法与notify方法是属于Object类的方法的。因为：锁对象可以是任意对象，而任意对象的所属类都是继承了Object类的。
- wait方法与notify方法必须要在
同步代码块或者是同步函数中使用。因为：必须要通过锁对象调用这2个方法。否则会报java.lang.IllegalMonitorStateException异常。
单例设计模式的线程安全问题
饿汉式：在类初始化时就直接创建单例对象，而类初始化过程是没有线程安全问题的
public class HungrySingle {
private static HungrySingle INSTANCE = new HungrySingle(); //对象是否声明为final 都可以
private HungrySingle(){}
public static HungrySingle getInstance(){
return INSTANCE;
}
}
public class HungrySingleTest {
static HungrySingle hs1 = null;
static HungrySingle hs2 = null;
//演示存在的线程安全问题
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread() {
@Override
public void run() {
hs1 = HungrySingle.getInstance();
}
};
Thread t2 = new Thread() {
@Override
public void run() {
hs2 = HungrySingle.getInstance();
}
};
t1.start();
t2.start();
// 如果没有join t1 和 t2 都是null 值
try {
t1.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
try {
t2.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(hs1);
System.out.println(hs2);
System.out.println(hs1 == hs2);//true
}
}
懒汉式线程安全问题
懒汉式：延迟创建对象，第一次调用getInstance方法再创建对象
public class LazyOne {
private static LazyOne instance;
private LazyOne(){}
//方式1：
public static synchronized LazyOne getInstance1(){
if(instance == null){
instance = new LazyOne();
}
return instance;
}
//方式2：
public static LazyOne getInstance2(){
synchronized(LazyOne.class) {
if (instance == null) {
instance = new LazyOne();
}
return instance;
}
}
//方式3：
public static LazyOne getInstance3(){
if(instance == null){
synchronized (LazyOne.class) {
try {
Thread.sleep(10);//加这个代码，暴露问题
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
if(instance == null){
instance = new LazyOne();
}
}
}
return instance;
}
/*
注意：上述方式3中，有指令重排问题
mem = allocate(); 为单例对象分配内存空间
instance = mem; instance引用现在非空，但还未初始化
ctorSingleton(instance); 为单例对象通过instance调用构造器
从JDK2开始，分配空间、初始化、调用构造器会在线程的工作存储区一次性完成，然后复制到主存储区。但是需要
volatile关键字，避免指令重排。
*/
}
形式二：使用内部类
public class LazySingle {
private LazySingle(){}
public static LazySingle getInstance(){
return Inner.INSTANCE;
}
private static class Inner{
static final LazySingle INSTANCE = new LazySingle();
}
}
内部类只有在外部类被调用才加载，产生INSTANCE实例；又不用加锁。
此模式具有之前两个模式的优点，同时屏蔽了它们的缺点，是最好的单例模式。
此时的内部类，使用enum进行定义，也是可以的。
JDK5.0新特性：Lock(锁)
-
JDK5.0的新增功能，保证线程的安全。与采用synchronized相比，Lock可提供多种锁方案，更灵活、更强大。Lock通过显式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。
-
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。- ReentrantLock类实现了 Lock 接口，它拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义，但是添加了类似锁投票、定时锁等候和可中断锁等候的一些特性。此外，它还提供了在激烈争用情况下更佳的性能。
-
Lock锁也称同步锁，加锁与释放锁方法，如下：
- public void lock() :加同步锁。
- public void unlock() :释放同步锁。
代码结构:
class A{
//1. 创建Lock的实例，必须确保多个线程共享同一个Lock实例
private final ReentrantLock lock = new ReenTrantLock();
public void m(){
//2. 调动lock()，实现需共享的代码的锁定
lock.lock();
try{
//保证线程安全的代码;
}
finally{
//3. 调用unlock()，释放共享代码的锁定
lock.unlock();
}
}
}
注意：如果同步代码有异常，要将unlock()写入finally语句块。
class Window implements Runnable{
int ticket = 100;
//1. 创建Lock的实例，必须确保多个线程共享同一个Lock实例
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void run(){
while(true){
try{
//2. 调动lock()，实现需共享的代码的锁定
lock.lock();
if(ticket > 0){
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(ticket--);
}else{
break;
}
}finally{
//3. 调用unlock()，释放共享代码的锁定
lock.unlock();
}
}
}
}
public class ThreadLock {
public static void main(String[] args) {
Window t = new Window();
Thread t1 = new Thread(t);
Thread t2 = new Thread(t);
t1.start();
t2.start();
}
}
synchronized与Lock的对比
- 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、遇到异常等自动解锁
- Lock只有代码块锁，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。并且具有更好的扩展性（提供更多的子类），更体现面向对象。
- Lock锁可以对读不加锁，对写加锁，synchronized不可以
- Lock锁可以有多种获取锁的方式，可以从sleep的线程中抢到锁，synchronized不可以
说明：开发建议中处理线程安全问题优先使用顺序为：
• Lock ----> 同步代码块 ----> 同步方法
同步操作的思考顺序
1、如何找问题，即代码是否存在线程安全？（非常重要）
（1）明确哪些代码是多线程运行的代码
（2）明确多个线程是否有共享数据
（3）明确多线程运行代码中是否有多条语句操作共享数据
2、如何解决呢？（非常重要）
对多条操作共享数据的语句，只能让一个线程都执行完，在执行过程中，其他线程不可以参与执行。
即所有操作共享数据的这些语句都要放在同步范围中
3、切记：
范围太小：不能解决安全问题
范围太大：因为一旦某个线程抢到锁，其他线程就只能等待，所以范围太大，效率会降低，不能合理利用CPU资源。