Java多线程——线程同步与锁（基于狂神说的学习笔记）

线程同步

线程不安全

多个线程操作同一个资源

并发：同一个对象被多个线程同时操作

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对象。这个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。

• 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，使用后石放锁即可，存在以下问题：
  • 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
  • 如果一个优先级较高的线程等待一个优先级较低的线程释放锁，会导致优先级倒置，引起性能问题

使用锁也有使用锁的弊端，但能保证线程安全性

package syn;

import java.sql.SQLOutput;

// 线程不安全测试01
public class UnsafeBuyTicket {

    public static void main(String[] args) {
        BuyTicket station = new BuyTicket();

        new Thread(station,"person1").start();
        new Thread(station,"person2").start();
        new Thread(station,"person3").start();
    }
}

class BuyTicket implements Runnable{

    // Ticket
    int ticketNums = 10;
    boolean flag = true;// 外部停止方式

    @Override
    public void run() {
        // buyTicket
        while(flag){
            buy();
        }
    }

    private  void buy(){
        // 判断是否有票
        if (ticketNums <= 0){
            flag = false;
            return;
        }
        // 模拟延迟
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        // getTicket
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"get"+ticketNums--);
    }
}

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

方法里需要修改的内容才需要锁，锁太多浪费资源

同步块

• 同步块：synchronized(Obj){}

• Obj称之为同步监视器（Obj一般为需要增删改查的对象）

  • 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

• 同步监视器的执行过程

  1. 第一个线程访问，锁定同步监视器，执行其中代码
  2. 第二个线程访问，发现同步监视器被锁定，无法执行代码
  3. 第一个线程访问完毕，解锁同步监视器
  4. 第二个线程访问，发现同步监视器没有锁，然后锁定并访问

CopyOnWriteArrayList

线程安全的ArrayList

package syn;

import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

// 测试JUC安全类型的集合
public class TestJUC {

    public static void main(String[] args) {
        // ArrayList是线程不安全的
        // CopyOnWriterArrayList是线程安全的
        CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(()->{
                list.add(Thread.currentThread().getName());
            }).start();
        }

        try {
            Thread.sleep(4000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        // 如果线程不安全，则有可能两个线程被添加到一个位置上，从而导致覆盖，list的长度会变小
        System.out.println(list.size());
    }
}

死锁

多线程各自占有一些共享资源，并且相互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，都停止执行的情况，某一同步块同时拥有“两个以上对象的锁”时，就可能会发生“死锁”的问题。

死锁避免的方法

产生死锁的四个必要条件：

1. 互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用
2. 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
3. 不剥夺条件：进程已获得的资源，在未使用完之前，不得强行剥夺
4. 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

// 死锁：多个线程互相抱着对方需要的资源，然后形成僵持
public class DeadLock {

    public static void main(String[] args) {
        Makeup girl1 =  new Makeup(0,"girl1");
        Makeup girl2 =  new Makeup(1,"girl2");
        girl1.start();
        girl2.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
        makeup();
    }

    // 互相持有对方的锁，就是需要对方的资源
    private void makeup(){
        if(choice == 0){
            synchronized (lipstick){// 获得口红的锁
                System.out.println(this.girlName+" get lipstick");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }// 获得口红的锁
            synchronized (mirror){// 一秒钟后想获得镜子的锁
                System.out.println(this.girlName+" get mirror");
            }// 一秒钟后想获得镜子
        }else{
            synchronized (mirror){// 获得镜子的锁
                System.out.println(this.girlName+" get mirror");
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }// 获得口红的锁
            synchronized (lipstick){// 获得口红的锁
                System.out.println(this.girlName+" get lipstick");
            }// 一秒钟后想获得镜子
        }
    }
}

这块代码无论是在idea中还是在eclipse中都没有进入死锁状态，目前原因未知

Lock（锁）

• 从JDK 5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制——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，每次只能由一个线程对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

模板：

class A{
    private final ReentrantLock lock = new ReenTrantLock();
    public void m(){
        lock.lock();
        try{
            // 保证线程安全的代码;
        }
        finally{
            lock.unlock();
            // 如果同步代码有异常，要将unlock()写入finally语句块
        }
    }
}

示例：

package Lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

// 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();
                if (ticketNums<=0){
                    break;
                }
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                System.out.println(ticketNums--);
            }finally {
                // 解锁
                lock.unlock();
            }


        }
    }
}

synchronized与Lock的对比

• Lock是显式锁（手动开启和手动关闭，别忘记关锁）synchronized是隐式锁，出了作用域自动释放
• 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（提供更好的子类）
• 优先使用顺序：
  • Lock > 同步代码块（已经计入了方法体，分配了相应的资源）> 同步方法（在方法体之外）