多线程基础学习之线程安全和抢火车票问题
前言：
在生活中，每次出远门，避免不了的就是要坐火车或者高铁，那么抢票就是我们必须要经历的环节，但你是否想过，假如你和别人同时抢到一张票，会发生什么？
你肯定会疑惑，如果两个人都买到一张票，那么这张票到底算谁的，这显然是不符合常理的，那么怎样才能避免不会买到同买一张票？这就是今天我们要思考的问题；
其实这里面涉及到了Java中的多线程以及线程安全的问题，保证线程安全也是我们在实际开发中所需要重点关注的，那么用Java代码如何来实现和解决这个经典的抢火车票问题？
在用代码实现抢火车票问题前，你是否有疑惑，我前面提到的一个名词线程安全，那么，究竟什么是线程安全呢？
一、线程安全
1.1 什么是线程安全？
当多个线程访问一个资源对象时，如果进行了额外的同步控制，或者其他的协调操作，调用这个对象都可以获得正确的结果 (即多个线程去访问同一个对象，和单个线程去执行，其结果是一样的)，我们就说这个对象是线程安全的；
1.2 简单案例解释
就拿上面的火车抢票来举例，你可以把火车票看成是一个共享的资源对象，那么多个人去抢同一张票就是多个线程去竞争同一个资源对象，无论是此时只有我一个人在抢票，还是多个人去同时抢票，我们都应该能够买到我们要买的那张票，而不会出现两个人同时抢到一张票的情况
1.3 线程安全的知识扩展
其实线程安全，准确来说应该是内存安全，因为堆是共享内存，所以它可以被所有的线程访问
上面提到了堆是用来共享内存的，那么堆又是什么呢？让我们一起来简单了解一下吧！
1.3.1 堆的相关概念
1.什么是堆？
堆是进程和线程共有的空间，分为全局堆和局部堆
2. 全局堆和局部堆的区别？
简单来说，全局堆就是没有分配的空间，局部堆就是用户系统的空间
上面提到了局部堆是用户系统的空间，那么就不得不提到操作系统，那么操作系统中的堆是什么呢？
3.操作系统中堆的理解
在操作系统中，堆是在进程初始化时进行分配的，运行过程中可以向系统要额外的堆，但是用完了就要归还给操作系统，否则将会造成内存泄露
补充：
在Java中，堆是JVM (Java虚拟机) 所管理的内存中最大的一块，是所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建；
堆所在的内存区域用来存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存
前面提到了堆是进程和线程的共有空间，说到堆，我们就会不由自主的想到栈，那么究竟什么是栈呢？
1.3.2 栈的相关概念
1.什么是栈？
栈是每个线程独有的，保存其运行状态和局部变量的
2.栈是线程安全的吗？
栈在线程开始运行时初始化，每个线程的栈相互独立，因此，栈是线程安全的
前面简单解释了堆在操作系统中的理解，那么操作系统中的栈又是怎样的呢？
3.操作系统中栈的理解
在操作系统中，切换线程时就会自动切换栈，栈空间不需要像在Java这样的高级语言中，显式的去分配和释放
1.4 造成线程/内存不安全的主要原因是什么？
-
目前主流的操作系统都是多任务的，即多个线程同时运行，为了保证线程安全，每个线程只能访问分配给自己的内存空间，而不能访问别的进程的，这是由操作系统所保障的
-
而在每个线程的内存空间中，都会有一块特殊的公共区域，通常称为堆 (也就是内存)，进程内的所有线程都可以访问到该区域，这就是造成线程安全问题的潜在因素
通过上面对线程安全的学习，你是否对线程安全有了简单的了解；接下来，就让我们一起用Java代码来实现简单的多线程火车抢票问题吧！
二、多线程抢火车票问题
还记得在上一篇博客中，我们提到了Java中实现多线程的方式有哪些？你还记得吗？
答案是一共有三种，分别是：
-
继承Thread类 (重点)
-
实现Runnable接口 (重点)
-
实现Callable接口 (了解)
你答对了吗？今天我们主要使用前两种方式来实现火车抢票问题
2.1 通过继承Thread类实现
2.1.1 代码实现
package com.kuang.thread;
//多线程案例：抢火车票问题
//方式一：自定义MyThread类，并继承Thread类
public class MyThread extends Thread {
//共享变量火车票，初始值为10张
private int ticketNums = 10;
//重写run方法
@Override
public void run() {
//判断值是否为真
while (true) {
//判断票数是否小于0
if(ticketNums < 0) {
//如果票数小于0，就跳出循环
break;
}
try {
//设置线程休眠时间为1秒(防止票被一个人全拿完了)
Thread.sleep(1000);
//捕获中断异常
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//打印当前线程名称以及获取到第几张票的信息 (票数每次减1)
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"抢到了第"+ticketNums--+"张票");
}
}
//主方法测试
public static void main(String[] args) {
//获取自定义线程类对象
MyThread ticket = new MyThread();
//设置线程对象的名字(这里模拟三个人同时抢票)，并调用start方法启动线程
new Thread(ticket,"张三").start();
new Thread(ticket,"罗翔").start();
new Thread(ticket,"黄牛").start();
}
}
2.2.2 测试结果
2.2.3 结果分析
我们发现在抢票过程中发生了数据紊乱，出现同一张票被两个人都抢到的情况，并且还会出现抢到第0张票的结果，这显然不是我们期待的结果
2.2 通过实现Runnable接口方式
我们再通过实现Runnable接口的方式来执行一下这个火车抢票，看是否会出现同样的问题
2.2.1 测试代码
package com.kuang.thread;
//方式二：创建自定义实现Runnable接口的MyThread2类
public class MyThread2 implements Runnable{
//共享变量火车票，初始值为10张
private int ticketNums = 10;
//重写run方法
@Override
public void run() {
//判断值是否为真
while (true) {
//判断票数是否小于等于0(为了避免出现第0张票的问题，我们将条件修改为<=)
if(ticketNums <= 0) {
//如果票数小于0，就跳出循环
break;
}
try {
//设置线程休眠时间为1秒
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//打印当前线程名称以及获取到第几张票的信息 (票数每次减1)
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"抢到了第"+ticketNums--+"张票");
}
}
public static void main(String[] args) {
//获取自定义线程类对象
MyThread2 ticket = new MyThread2();
//设置线程对象的名字(模拟三个人同时抢票)，并调用start方法启动线程
new Thread(ticket,"张三").start();
new Thread(ticket,"罗翔").start();
new Thread(ticket,"黄牛").start();
}
}
2.2.2 测试结果
2.2.3 结果分析
这次虽然避免了第0张票的出现，但是还是会存在两个人同时抢到一张票的问题
那么我们不妨思考一下，为什么会出现两个人抢到同一张票的问题呢？
还记得前面提到的线程安全的概念吗，多个线程竞争同一个资源对象，如果额外的同步控制，那么就可以保证线程安全；因为这里我们并没有采取任何的同步控制，即给共享资源对象车票加一个同步锁，当其中一个人抢到票时就给这张票加锁，期间不允许其他人再抢，这样就很好的避免出现两个人会抢到同一张票！
为了解决两个人同时抢到一张票的问题，我们可以使用synchronized同步器实现同步控制！
2.3 使用synchronized同步器解决抢票问题
2.3.1 代码实现
package com.kuang.thread;
//解决会出现同一张票被两个人都抢到问题
public class MyThread3 implements Runnable{
//共享变量火车票，初始值为10张
private int ticketNums = 10;
//设置标志位，初始值为true
boolean flag = true;
//重写run方法
@Override
public void run() {
//判断标志位值是否为真
while (flag) {
try {
//设置线程休眠时长为1秒 (防止票被一个人全拿完了)
Thread.sleep(1000);
//执行买票的方法
buy();
//捕获中断异常
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
//使用synchronized同步器来修饰买票的方法(防止出现一张票被两人同时抢到)
private synchronized void buy() throws InterruptedException {
//判断票数是否小于等于0
if(ticketNums <= 0) {
//如果票数小于等于0，就将标志位设置为false并返回
flag = false;
return;
}
//设置线程休眠时长为1秒
Thread.sleep(1000);
//打印当前线程名称以及获取到第几张票的信息 (票数每次减1)
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"抢到了第"+ticketNums--+"张票");
}
public static void main(String[] args) {
//获取自定义线程类对象ticket
MyThread3 ticket = new MyThread3();
//设置线程对象的名字，并调用start方法启动线程
new Thread(ticket,"张三").start();
new Thread(ticket,"罗翔").start();
new Thread(ticket,"黄牛").start();
}
}
2.3.2 测试结果
2.3.3 结果分析
和我们预期的一样，每个人都成功抢到了各自的票，并且没有出现两个人抢到同一张票的问题！
到这里，我们就学习完了线程安全和多线程抢票问题，欢迎大家讨论和学习！
参考视频链接：
https://www.bilibili.com/video/BV1V4411p7EF (B站UP主遇见狂神说的多线程详解)
https://www.bilibili.com/video/BV1Eb4y1R7zd (B站UP主图灵学院程序员Mokey)