【java 多线程】多线程并发同步问题及生产者、消费者问题
一、线程并发同步概念
线程同步其核心就在于一个“同”。所谓“同”就是协同、协助、配合，“同步”就是协同步调昨，也就是按照预定的先后顺序进行运行，即“你先，我等， 你做完，我再做”。
线程同步，就是当线程发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不会返回，其他线程也不能调用该方法。
就一般而言，我们在说同步、异步的时候，特指那些需要其他组件来配合或者需要一定时间来完成的任务。在多线程编程里面，一些较为敏感的数据时不允许被多个线程同时访问的，使用线程同步技术，确保数据在任何时刻最多只有一个线程访问，保证数据的完整性。
二、线程同步中可能存在安全隐患
用生活中的场景来举例：小生去银行开个银行账户，银行给 me 一张银行卡和一张存折，小生用银行卡和存折来搞事情：
银行卡疯狂存钱，存完一次就看一下余额；同时用存折子不停地取钱，取一次钱就看一下余额；
具体代码实现如下：
先弄一个银行账户对象，封装了存取插钱的方法：
package com.test.threadDemo2;
/**
* 银行账户
* @author Administrator
*
*/
public class Acount {
private int count=0;
/**
* 存钱
* @param money
*/
public void addAcount(String name,int money) {
17 // 存钱
count += money;
System.out.println(name+"...存入："+money+"..."+Thread.currentThread().getName());
SelectAcount(name);
22 }
/**
* 取钱
* @param money
*/
public void subAcount(String name,int money) {
30 // 先判断账户现在的余额是否够取钱金额
if(count-money < 0){
System.out.println("账户余额不足！");
return;
}
// 取钱
count -= money;
System.out.println(name+"...取出："+money+"..."+Thread.currentThread().getName());
SelectAcount(name);
40 }
/**
* 查询余额
*/
public void SelectAcount(String name) {
System.out.println(name+"...余额："+count);
}
}编写银行卡对象：
package com.test.threadDemo2;
/**
* 银行卡负责存钱
* @author Administrator
*
*/
public class Card implements Runnable{
private String name;
private Account account = new Account();
public Card(String name,Account account) {
this.account = account;
this.name = name;
}
@Override
public void run() {
while(true) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
account.addAccount(name,100);26 }
}
}编写存折对象（和银行卡方法几乎一模一样，就是名字不同而已）：
package com.test.threadDemo2;
/**
* 存折负责取钱
* @author Administrator
*
*/
public class Paper implements Runnable{
private String name;
private Account account = new Account();
public Paper(String name,Account account) {
this.account = account;
this.name = name;
}
@Override
public void run() {
while(true) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
account.subAccount(name,50);
}
}
}主方法测试，演示银行卡疯狂存钱，存折疯狂取钱：
package com.test.threadDemo2;
public class ThreadDemo2 {
public static void main(String[] args) {
// 开个银行帐号
Account account = new Account();
// 开银行帐号之后银行给张银行卡
Card card = new Card("card",account);
// 开银行帐号之后银行给张存折
Paper paper = new Paper("存折",account);
Thread thread1 = new Thread(card);
Thread thread2 = new Thread(paper);
thread1.start();
thread2.start();
}
}结果显示：从中可以看出 bug
从上面的例子里就可以看出，银行卡存钱和存折取钱的过程中使用了 sleep() 方法，这只不过是小生模拟“系统卡顿”现象：银行卡存钱之后，还没来得及查余额，存折就在取钱，刚取完钱，银行卡这边“卡顿”又好了，查询一下余额，发现钱存的数量不对！当然还有“卡顿”时间比较长，存折在卡顿的过程中，把钱全取了，等银行卡这边“卡顿”好了，一查发现钱全没了的情况可能。
因此多个线程一起访问共享的数据的时候，就会可能出现数据不同步的问题，本来一个存钱的时候不允许别人打断我（当然实际中可以存在刚存就被取了，有交易记录在，无论怎么动这个帐号，都是自己的银行卡和存折在动钱。小生这个例子里，要求的是存钱和查钱是一个完整过程，不可以拆分开），但从结果来看，并没有实现小生想要出现的效果，这破坏了线程“原子性”。
三、线程同步中可能存在安全隐患的解决方法
从上面的例子中可以看出线程同步中存在安全隐患，我们必须不能忽略，所以要引入“锁”（术语叫监听器）的概念：
3.1 同步代码块：
使用 synchronized() 对需要完整执行的语句进行“包裹”，synchronized(Obj obj) 构造方法里是可以传入任何类的对象，
但是既然是监听器就传一个唯一的对象来保证“锁”的唯一性，因此一般使用共享资源的对象来作为 obj 传入 synchronized(Obj obj) 里：
只需要锁 Account 类中的存钱取钱方法就行了：
package com.test.threadDemo2;
/**
* 银行账户
* @author Administrator
*
*/
public class Acount {
private int count=0;
/**
* 存钱
* @param money
*/
public void addAcount(String name,int money) {
synchronized(this) {
// 存钱
count += money;
System.out.println(name+"...存入："+money+"..."+Thread.currentThread().getName());
SelectAcount(name);
}
}
/**
* 取钱
* @param money
*/
public void subAcount(String name,int money) {
synchronized(this) {
// 先判断账户现在的余额是否够取钱金额
if(count-money < 0){
System.out.println("账户余额不足！");
return;
}
// 取钱
count -= money;
System.out.println(name+"...取出："+money+"..."+Thread.currentThread().getName());
SelectAcount(name);
}
}
/**
* 查询余额
*/
public void SelectAcount(String name) {
System.out.println(name+"...余额："+count);
}
}3.2 同步方法
者在方法的申明里申明 synchronized 即可：
package com.test.threadDemo2;
/**
* 银行账户
* @author Administrator
*
*/
public class Acount {
private int count;
/**
* 存钱
* @param money
*/
public synchronized void addAcount(String name,int money) {
// 存钱
count += money;
System.out.println(name+"...存入："+money);
}
/**
* 取钱
* @param money
*/
public synchronized void subAcount(String name,int money) {
// 先判断账户现在的余额是否够取钱金额
if(count-money < 0){
System.out.println("账户余额不足！");
return;
}
// 取钱
count -= money;
System.out.println(name+"...取出："+money);
}
/**
* 查询余额
*/
public void SelectAcount(String name) {
System.out.println(name+"...余额："+count);
}
}
运行效果：
3.3 使用同步锁：
account 类创建私有的 ReetrantLock 对象，调用 lock() 方法，同步执行体执行完毕之后，需要用 unlock() 释放锁。
package com.test.threadDemo2;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* 银行账户
* @author Administrator
*
*/
public class Acount {
private int count;
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
/**
* 存钱
* @param money
*/
public void addAcount(String name,int money) {
lock.lock();
try{
// 存钱
count += money;
System.out.println(name+"...存入："+money);
}finally {
lock.unlock();
}
}
/**
* 取钱
* @param money
*/
public void subAcount(String name,int money) {
lock.lock();
try{
// 先判断账户现在的余额是否够取钱金额
if(count-money < 0){
System.out.println("账户余额不足！");
return;
}
// 取钱
count -= money;
System.out.println(name+"...取出："+money);
}finally {
lock.unlock();
}
}
/**
* 查询余额
*/
public void SelectAcount(String name) {
System.out.println(name+"...余额："+count);
}
}运行效果：
四、死锁
当线程需要同时持有多个锁时，有可能产生死锁。考虑如下情形：
线程 A 当前持有互斥所锁 lock1，线程 B 当前持有互斥锁 lock2。
接下来，当线程 A 仍然持有 lock1 时，它试图获取 lock2，因为线程 B 正持有 lock2，因此线程 A 会阻塞等待线程 B 对 lock2 的释放。
如果此时线程 B 在持有 lock2 的时候，也在试图获取 lock1，因为线程 A 正持有 lock1，因此线程 B 会阻塞等待 A 对 lock1 的释放。
二者都在等待对方所持有锁的释放，而二者却又都没释放自己所持有的锁，这时二者便会一直阻塞下去。这种情形称为死锁。
package com.testDeadLockDemo;
public class LockA {
private LockA(){}
public static final LockA lockA = new LockA();
}package com.testDeadLockDemo;
public class LockB {
private LockB(){}
public static final LockB lockB = new LockB();
}package com.testDeadLockDemo;
public class DeadLock implements Runnable{
private int i=0;
@Override
public void run() {
while(true) {
if(i%2==0){
synchronized(LockA.lockA) {
System.out.println("if...lockA");
synchronized(LockB.lockB) {
System.out.println("if...lockB");
}
}
}else {
synchronized(LockB.lockB) {
System.out.println("else...lockB");
synchronized(LockA.lockA) {
System.out.println("else...lockA");
}
}
}
i++;
}
}
}测试：
package com.testDeadLockDemo;
public class Test {
public static void main(String[] args) {
DeadLock deadLock = new DeadLock();
Thread t1 = new Thread(deadLock);
Thread t2 = new Thread(deadLock);
t1.start();
t2.start();
}
}
运行结果：
五、线程通信（生产者、消费者问题）
生产者消费者问题（英语：Producer-consumer problem），也称有限缓冲问题（英语：Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个共享固定大小缓冲区的线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。
要解决该问题，就必须让生产者在缓冲区满时休眠（要么干脆就放弃数据），等到下次消费者消耗缓冲区中的数据的时候，生产者才能被唤醒，开始往缓冲区添加数据。同样，也可以让消费者在缓冲区空时进入休眠，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再唤醒消费者。通常采用进程间通信的方法解决该问题，常用的方法有信号灯法等。如果解决方法不够完善，则容易出现死锁的情况。出现死锁时，两个线程都会陷入休眠，等待对方唤醒自己。该问题也能被推广到多个生产者和消费者的情形。
在共享资源中增加镖旗，当镖旗为真的时候才可以存钱，存完了就把镖旗设置成假，当取款的时候发现镖旗为假的时候，可以取款，取完款就把镖旗设置为真。
只需修改 Account 类 和 测试类 即可
package com.test.threadDemo2;
/**
* 银行账户
* @author Administrator
*
*/
public class Acount {
private boolean flag=false; // 默认flag 为false，要求必须先存款再取款
private int count=0;
/**
* 存钱
* @param money
*/
public void addAcount(String name,int money) {
synchronized(this) {
// flag 为true 表示可以存款，否则不可以存款
if(flag) {
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}else {
// 存钱
count += money;
System.out.println(name+"...存入："+money+"..."+Thread.currentThread().getName());
SelectAcount(name);
flag = true;
this.notifyAll();
}
}
}
/**
* 取钱
* @param money
*/
public void subAcount(String name,int money) {
synchronized(this) {
if(!flag) {
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}else {
// 先判断账户现在的余额是否够取钱金额
if(count-money < 0){
System.out.println("账户余额不足！");
return;
}
// 取钱
count -= money;
System.out.println(name+"...取出："+money+"..."+Thread.currentThread().getName());
SelectAcount(name);
flag = false;
this.notifyAll();
}
}
}
/**
* 查询余额
*/
public void SelectAcount(String name) {
System.out.println(name+"...余额："+count);
}
}package com.test.threadDemo2;
public class ThreadDemo2 {
public static void main(String[] args) {
// 开个银行帐号
Acount acount = new Acount();
// 开银行帐号之后银行给张银行卡
Card card1 = new Card("card1",acount);
Card card2 = new Card("card2",acount);
Card card3 = new Card("card3",acount);
// 开银行帐号之后银行给张存折
Paper paper1 = new Paper("paper1",acount);
Paper paper2 = new Paper("paper2",acount);
// 创建三个银行卡
Thread thread1 = new Thread(card1,"card1");
Thread thread2 = new Thread(card2,"card2");
Thread thread3 = new Thread(card3,"card3");
// 创建两个存折
Thread thread4 = new Thread(paper1,"paper1");
Thread thread5 = new Thread(paper2,"paper2");
thread1.start();
thread2.start();
thread3.start();
thread4.start();
thread5.start();
}
}运行结果：
使用同步锁也可以达到相同的目的：
package com.test.threadDemo2;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* 银行账户
* @author Administrator
*
*/
public class Acount2 {
private boolean flag=false; // 默认flag 为false，要求必须先存款再取款
private int count=0;
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private final Condition condition = lock.newCondition();
/**
* 存钱
* @param money
*/
public void addAcount(String name,int money) {
lock.lock();
try {
// flag 为true 表示可以存款，否则不可以存款
if(flag) {
try {
condition.await();
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}else {
// 存钱
count += money;
System.out.println(name+"...存入："+money+"..."+Thread.currentThread().getName());
SelectAcount(name);
flag = true;
condition.signalAll();
}
}finally {
lock.unlock();
}
}
/**
* 取钱
* @param money
*/
public void subAcount(String name,int money) {
lock.lock();
try {
if(!flag) {
try {
condition.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}else {
// 先判断账户现在的余额是否够取钱金额
if(count-money < 0){
System.out.println("账户余额不足！");
return;
}
// 取钱
count -= money;
System.out.println(name+"...取出："+money+"..."+Thread.currentThread().getName());
SelectAcount(name);
flag = false;
condition.signalAll();
}
}finally {
lock.unlock();
}
}
/**
* 查询余额
*/
public void SelectAcount(String name) {
System.out.println(name+"...余额："+count);
}
}