线程安全详解
文章目录
-
- 1.线程安全与不安全
- 2.volatile
- 3.解决线程不安全
-
- 3.1synchronized
-
- 3.1.1操作锁的流程
- 3.1.2代码示例
- 3.1.3注意
- 3.1.4三种使用场景
- 3.2Lock手动锁
- 3.3公平锁与非公平锁
- 3.4两种锁区别
- 4.死锁
-
- 4.1死锁定义
- 4.2死锁示例
- 4.3死锁的4个必要条件
- 5.线程通讯
-
- 5.1wait方法
- 5.2wait方法与sleep方法对比
1.线程安全与不安全
线程安全：当多线程访问时，采用了加锁的机制；即当一个线程访问该类的某一个数据时，会对这个数据进行保护，其他线程不能对其访问，直到该线程读取结束之后，其他线程才可以使用。防止出现数据不一致或者数据被污染的情况。
线程不安全：多个线程同时操作某个数据，出现数据不一致或者被污染的情况。
代码示例：
package thread_5_10;
public class Demo26 {
static int a = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100_0000; i++) {
a++;
}
}
});
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100_0000; i++) {
a--;
}
}
});
//开启线程
t1.start();
t2.start();
//等待线程完成
//t1.join();
//t2.join();
while(t1.isAlive() || t2.isAlive()){
}
System.out.println(a);
}
}
运行结果：
493612
结果分析：
线程不安全的因素：
- CPU是抢占式执行的（抢占资源）
- 多个线程操作的是同一个变量
- 可见性
- 非原子性
- 编译期优化（指令重排）
2.volatile
volatile是指令关键字，作用是确保本指令不会因编译期优化而省略，且每次要求直接读值。可以解决内存不可见和指令重排序的问题，但是不能解决原子性问题
3.解决线程不安全
有两种加锁方式：
- synchronized(jvm层的解决方案）
- Lock手动锁
3.1synchronized
3.1.1操作锁的流程
- 尝试获取锁a
- 使用锁（这一步骤是具体的业务代码）
- 释放锁
synchronized是JVM层面锁的解决方案，它帮我们实现了加锁和释放锁的过程
3.1.2代码示例
package thread_5_10;
public class Demo31 {
//循环的最大次数
private final static int maxSize = 100_0000;
//定义全局变量
private static int number = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//声明锁对象
Object obj = new Object();
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < maxSize; i++) {
//实现加锁
synchronized (obj){
number++;
}
}
}
});
t1.start();
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < maxSize; i++) {
synchronized (obj){
number--;
}
}
}
});
t2.start();
//等待两个线程执行完成
t1.join();
t2.join();
System.out.println(number);
}
}
运行结果：
0
解析：
3.1.3注意
synchronized实现分为：
- 操作系统层面，它是依靠互斥锁mutex
- 针对JVM，monitor实现
- 针对Java语言来说，是将锁信息存放在对象头中
3.1.4三种使用场景
- 使用synchronized修饰代码块，（可以对任意对象加锁）
- 使用synchronized修饰静态方法（对当前类进行加锁）
- 使用synchronized修饰普通方法（对当前类实例进行加锁）
修饰静态方法：
package thread_5_10;
public class Demo32 {
private static int number = 0;
private static final int maxSize = 100_0000;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
increment();
}
});
t1.start();
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
decrement();
}
});
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println("最终结果为："+number);
}
public synchronized static void increment(){
for (int i = 0; i < maxSize; i++) {
number++;
}
}
public synchronized static void decrement(){
for (int i = 0; i < maxSize; i++) {
number--;
}
}
}
修饰实例方法：
package thread_5_10;
public class Demo33 {
private static int number = 0;
private static final int maxSize = 100_0000;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Demo33 demo = new Demo33();
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
demo.increment();
}
});
t1.start();
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
demo.decrement();
}
});
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println("最终结果："+number);
}
public synchronized void increment(){
for (int i = 0; i < maxSize; i++) {
number++;
}
}
public synchronized void decrement(){
for (int i = 0; i < maxSize; i++) {
number--;
}
}
}
3.2Lock手动锁
代码示例：
package thread_5_10;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Demo34 {
private static int number = 0;
private static final int maxSize = 100_0000;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//创建lock实例
Lock lock = new ReentrantLock();
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < maxSize; i++) {
lock.lock();
try{
number++;
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
});
t1.start();
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < maxSize; i++) {
lock.lock();
try{
number--;
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
});
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println("最终结果为--> "+number);
}
}
运行结果：
最终结果为--> 0
注意事项：
lock（）一定要放在try外面
- 如果放在try里面，如果try里面出现异常，还没有加锁成功就执行finally里面的释放锁的代码，就会出现异常
- 如果放在try里面，如果没有锁的情况下释放锁，这个时候产生的异常就会把业务代码里面的异常给吞噬掉，增加代码调试的难度
3.3公平锁与非公平锁
- 公平锁：当一个线程释放锁之后，需要主动唤醒“需要得到锁”的队列来得到锁
- 非公平锁：当一个线程释放锁之后，另一个线程刚好执行到获取锁的代码就可以直接获取锁
java语言中，所有锁的默认实现方式都是非公平锁
1.synchronized是非公平锁
2.reentrantLock默认是非公平锁，但也可以显示地声明为公平锁
显示声明公平锁格式：
ReentrantLock源码：
示例一：
package thread_5_10;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Demo36 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Lock lock = new ReentrantLock(true);
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
lock.lock();
try{
System.out.println("线程1");
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
});
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
lock.lock();
try{
System.out.println("线程2");
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
});
Thread.sleep(1000);
t1.start();
t2.start();
}
}
运行结果：
示例二：
package test;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class test08 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Lock lock = new ReentrantLock(true);
Runnable r = new Runnable() {
@Override
public void run() {
for(char ch: "ABCD".toCharArray()){
lock.lock();
try{
System.out.print(ch);
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
};
Thread.sleep(100);
Thread t1 = new Thread(r);
Thread t2 = new Thread(r);
t1.start();
t2.start();
}
}
运行结果：
AABBCCDD
3.4两种锁区别
synchronized和lock的区别
- 关键字不同
- synchronized自动进行加锁和释放锁，而Lock需要手动加锁和释放锁
- synchronized是JVM层面上的实现，而Lock是Java层面锁的实现
- 修饰范围不同，synchronized可以修饰代码块，静态方法，实例方法，而Lock只能修饰代码块
- synchronized锁的模式是非公平锁，而lock锁的模式是公平锁和非公平锁
- Lock的灵活性更高
4.死锁
4.1死锁定义
在两个或两个以上的线程运行中，因为资源抢占而造成线程一直等待的问题
当线程1拥有资源并1且试图获取资源2和线程2拥有了资源2，并且试图获取资源1的时候，就发了死锁
4.2死锁示例
package thread_5_11;
public class Demo36 {
public static void main(String[] args) {
//声明加锁的资源
Object lock1 = new Object();
Object lock2 = new Object();
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//获取线程名称
String threadName = Thread.currentThread().getName();
//1.获取资源1
synchronized (lock1){
System.out.println(threadName+" 获取到了lock1");
try {
//2.等待1ms，让线程t1和线程t2都获取到相应的资源
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(threadName+" waiting lock2");
//3.获取资源2
synchronized (lock2){
System.out.println(threadName+" 获取到了lock2");
}
}
}
},"t1");
t1.start();
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
synchronized (lock2){
System.out.println(threadName+" 获取到了lock2");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(threadName+" waiting lock1");
synchronized (lock1){
System.out.println(threadName+" 获取到了lock1");
}
}
}
},"t2");
t2.start();
}
}
运行结果：
通过工具来查看死锁：
（1）jdk–>bin–>jconsole.exe
（2）jdk–>bin–>jvisualvm.exe
（3）jdk–>bin–>jmc.exe
4.3死锁的4个必要条件
1.互斥条件：当资源被一个线程拥有之后，就不能被其他的线程拥有了
2.占有且等待：当一个线程拥有了一个资源之后又试图请求另一个资源
3.不可抢占：当一个资源被一个线程被拥有之后，如果不是这个线程主动释放此资源的情况下，其他线程不能拥有此资源
4.循环等待：两个或两个以上的线程在拥有了资源之后，试图获取对方资源的时候形成了一个环路
5.线程通讯
所谓的线程通讯就是在一个线程中的操作可以影响另一个线程，wait（休眠线程），notify（唤醒一个线程），notifyall（唤醒所有线程）
5.1wait方法
注意事项：
1.wait方法在执行之前必须先加锁。也就是wait方法必须配合synchronized配合使用
2.wait和notify在配合synchronized使用时，一定要使用同一把锁
运行结果：
wait之前
主线程唤醒t1
wait之后
多线程
package thread_5_13;
public class demo40 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object lock = new Object();
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//调用wait方法之前必须先加锁
synchronized (lock){
try {
System.out.println("t1 wait之前");
lock.wait();
System.out.println("t1 wait之后");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
},"t1");
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//调用wait方法之前必须先加锁
synchronized (lock){
try {
System.out.println("t2 wait之前");
lock.wait();
System.out.println("t2 wait之后");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
},"t2");
Thread t3 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//调用wait方法之前必须先加锁
synchronized (lock){
try {
System.out.println("t3 wait之前");
lock.wait();
System.out.println("t3 wait之后");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
},"t3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
Thread.sleep(1000);
System.out.println("主线程调用唤醒操作");
//在主线程中唤醒
synchronized (lock){
lock.notify();
}
}
}
运行结果：
t1 wait之前
t2 wait之前
t3 wait之前
主线程调用唤醒操作
t1 wait之后
注意事项：
- 将lock.notify（）修改为lock.notifyAll（），则三个线程都能被唤醒
- wait在不传递任何参数的情况下会进入waiting状态（参数为0也是waiting状态）；当wait里面有一个大于0的整数时，它就会进入timed_waiting状态
关于wait和sleep释放锁的代码：
wait在等待的时候可以释放锁，sleep在等待的时候不会释放锁
5.2wait方法与sleep方法对比
相同点：
（1）wait和sleep都可以使线程休眠
（2）wait和sleep在执行的过程中都可以接收到终止线程执行的通知
不同点：
（1）wait必须synchronized一起使用，而sleep不用
（2）wait会释放锁，sleep不会释放锁
（3）wait是Object的方法，而sleep是Thread的方法
（4）默认情况下，wait不传递参数或者参数为0的情况下，它会进入waiting状态，而sleep会进入timed_waiting状态
（5）使用wait可以主动唤醒线程，而使用sleep不能主动唤醒线程
面试题
1.问：sleep（0）和wait（0）有什么区别
答：（1）sleep（0）表示过0毫秒后继续执行，而wait（0）会一直等待
（2）sleep（0）表示重新触发一次CPU竞争
2.为什么wait会释放锁，而sleep不会释放锁
答：sleep必须要传递一个最大等待时间的，也就是说sleep是可控的（对于时间层面来讲），而wait是可以不传递时间，从设计层面来讲，如果让wait这个没有超时等待时间的机制下释放锁的话，那么线程可能会一直阻塞，而sleep不会存在这个问题
3.为什么wait是Object的方法，而sleep是Thread的方法
答：wait需要操作锁，而锁是对象级别（所有的锁都在对象头当中），它不是线程级别，一个线程可以有多把锁，为了灵活起见，所有把wait放在Object当中
4.解决wait/notify随机唤醒的问题
答：可以使用LockSupport中的park，unpark方法，注意：locksupport虽然不会报interrupted的异常，但是可以监听到线程终止的指令