多线程同步与互斥

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    接触多线程已经不少时间了,也做了不少事情,但是一直觉得用起来不那么顺手,在debug的时候,往往会比较担心在同步上出什么问题,想起"程序员最怕的是自己写的代码"这句话,觉得真是不假.
    终于有一天,我觉得是时候把这个问题弄清楚了,所以,我就在网上找相关的内容看,结果竟然是找不到在我这个阶段应该看的,不是太简单,就是一笔带过,不知所云.
    废了九牛二虎之力,终于差不多弄清楚了,其中有不少误区,以前认为的和真理相差甚大.想起自己花费的时间,真是觉得有点多,所以把它写出来,一是防止自己以后又会忘掉,二是给像我一样的似懂非懂者留下一点可以参考的东东.
    闲话少说,转入正题!

 

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    先从线程的创建说起.线程的创建一共有两种形式:

 

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    一种是继承自Thread类.Thread 类是一个具体的类，即不是抽象类，该类封装了线程的行为。要创建一个线程，程序员必须创建一个从 Thread 类导出的新类。程序员通过覆盖 Thread 的 run() 函数来完成有用的工作。用户并不直接调用此函数；而是通过调用 Thread 的 start() 函数，该函数再调用 run()。
   
    例如:

 

java 代码

public class Test extends Thread{
  public Test(){
  }
  public static void main(String args[]){
    Test t1 = new Test();
    Test t2 = new Test();
    t1.start();
    t2.start();
  }
  public void run(){
    //do thread's things
  }
}

 

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    另一种是实现Runnable接口,此接口只有一个函数，run()，此函数必须由实现了此接口的类实现。
   
    例如:

 

java 代码

public class Test implements Runnable{
  Thread thread1;
  Thread thread2;
  public Test(){
    thread1 = new Thread(this,"1");
    thread2 = new Thread(this,"2");
  }
  public static void main(String args[]){
    Test t = new Test();
    t.startThreads();
  }
  public void run(){
    //do thread's things
  }
  public void startThreads(){
    thread1.start();
    thread2.start();
  }
}

    两种创建方式看起来差别不大,但是弄不清楚的话，也许会将你的程序弄得一团糟。两者区别有以下几点：

1.当你想继承某一其它类时,你只能用后一种方式.

2.第一种因为继承自Thread,只创建了自身对象,但是在数量上，需要几个线程，就得创建几个自身对象；第二种只创建一个自身对象，却创建几个Thread对象.而两种方法重大的区别就在于此，请你考虑：如果你在第一种里创建数个自身对象并且start()后，你会发现好像synchronized不起作用了，已经加锁的代码块或者方法居然同时可以有几个线程进去，而且同样一个变量，居然可以有好几个线程同时可以去更改它。（例如下面的代码）这是因为，在这个程序中，虽然你起了数个线程，可是你也创建了数个对象，而且，每个线程对应了每个对象也就是说，每个线程更改和占有的对象都不一样，所以就出现了同时有几个线程进入一个方法的现象，其实，那也不是一个方法，而是不同对象的相同的方法。所以，这时候你要加锁的话，只能将方法或者变量声明为静态，将static加上后，你就会发现，线程又能管住方法了，同时不可能有两个线程进入同样一个方法，那是因为，现在不是每个对象都拥有一个方法了，而是所有的对象共同拥有一个方法，这个方法就是静态方法。

    而你如果用第二种方法使用线程的话，就不会有上述的情况，因为此时，你只创建了一个自身对象，所以，自身对象的属性和方法对于线程来说是共有的。

    因此，我建议，最好用后一种方法来使用线程。

java 代码

public class mainThread extends Thread{
  int i=0;
  public static void main(String args[]){
    mainThread m1 = new mainThread();
    mainThread m2 = new mainThread();
    mainThread m3 = new mainThread();
    mainThread m4 = new mainThread();
    mainThread m5 = new mainThread();
    mainThread m6 = new mainThread();
    m1.start();
    m2.start();
    m3.start();
    m4.start();
    m5.start();
    m6.start();
  }
  public synchronized void t1(){
    i=++i;
    try{
      Thread.sleep(500);
    }
    catch(Exception e){}
    //每个线程都进入各自的t1()方法，分别打印各自的i
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+i);
  }
  public void run(){
    synchronized(this){
      while (true) {
        t1();
      }
    }
  }
}

 

 

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    下面我们来讲synchronized的4种用法吧:

    1.方法声明时使用,放在范围操作符(public等)之后,返回类型声明(void等)之前.即一次只能有一个线程进入该方法,其他线程要想在此时调用该方法,只能排队等候,当前线程(就是在synchronized方法内部的线程)执行完该方法后,别的线程才能进入.
 
      例如:

      public synchronized void synMethod() {
        //方法体
      }

    2.对某一代码块使用,synchronized后跟括号,括号里是变量,这样,一次只有一个线程进入该代码块.例如:

     

java 代码

public int synMethod(int a1){
       synchronized(a1) {
         //一次只能有一个线程进入
       }
     }

    3.synchronized后面括号里是一对象,此时,线程获得的是对象锁.例如:

java 代码

public class MyThread implements Runnable {
  public static void main(String args[]) {
    MyThread mt = new MyThread();
    Thread t1 = new Thread(mt, "t1");
    Thread t2 = new Thread(mt, "t2");
    Thread t3 = new Thread(mt, "t3");
    Thread t4 = new Thread(mt, "t4");
    Thread t5 = new Thread(mt, "t5");
    Thread t6 = new Thread(mt, "t6");
    t1.start();
    t2.start();
    t3.start();
    t4.start();
    t5.start();
    t6.start();
  }

  public void run() {
    synchronized (this) {
      System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
  }
}

 
    对于3,如果线程进入,则得到对象锁,那么别的线程在该类所有对象上的任何操作都不能进行.在对象级使用锁通常是一种比较粗糙的方法。为什么要将整个对象都上锁，而不允许其他线程短暂地使用对象中其他同步方法来访问共享资源？如果一个对象拥有多个资源，就不需要只为了让一个线程使用其中一部分资源，就将所有线程都锁在外面。由于每个对象都有锁，可以如下所示使用虚拟对象来上锁：

java 代码

class FineGrainLock {

   MyMemberClass x, y;
   Object xlock = new Object(), ylock = new Object();

   public void foo() {
      synchronized(xlock) {
         //access x here
      }

      //do something here - but don't use shared resources

      synchronized(ylock) {
         //access y here
      }
   }

   public void bar() {
      synchronized(this) {
         //access both x and y here
      }
      //do something here - but don't use shared resources
   }
}

 

    4.synchronized后面括号里是类.例如:

java 代码

class ArrayWithLockOrder{
  private static long num_locks = 0;
  private long lock_order;
  private int[] arr;

  public ArrayWithLockOrder(int[] a)
  {
    arr = a;
    synchronized(ArrayWithLockOrder.class) {//-----------------------------------------这里
      num_locks++;             // 锁数加 1。
      lock_order = num_locks;  // 为此对象实例设置唯一的 lock_order。
    }
  }
  public long lockOrder()
  {
    return lock_order;
  }
  public int[] array()
  {
    return arr;
  }
}

class SomeClass implements Runnable
{
  public int sumArrays(ArrayWithLockOrder a1,
                       ArrayWithLockOrder a2)
  {
    int value = 0;
    ArrayWithLockOrder first = a1;       // 保留数组引用的一个
    ArrayWithLockOrder last = a2;        // 本地副本。
    int size = a1.array().length;
    if (size == a2.array().length)
    {
      if (a1.lockOrder() > a2.lockOrder())  // 确定并设置对象的锁定
      {                                     // 顺序。
        first = a2;
        last = a1;
      }
      synchronized(first) {              // 按正确的顺序锁定对象。
        synchronized(last) {
          int[] arr1 = a1.array();
          int[] arr2 = a2.array();
          for (int i=0; i<size; i++)
            value += arr1[i] + arr2[i];
        }
      }
    }
    return value;
  }
  public void run() {
    //...
  }
}

 

    对于4,如果线程进入,则线程在该类中所有操作不能进行,包括静态变量和静态方法,实际上,对于含有静态方法和静态变量的代码块的同步,我们通常用4来加锁.

以上4种之间的关系：

    锁是和对象相关联的，每个对象有一把锁，为了执行synchronized语句，线程必须能够获得synchronized语句中表达式指定的对象的锁，一个对象只有一把锁，被一个线程获得之后它就不再拥有这把锁，线程在执行完synchronized语句后，将获得锁交还给对象。
    在方法前面加上synchronized修饰符即可以将一个方法声明为同步化方法。同步化方法在执行之前获得一个锁。如果这是一个类方法，那么获得的锁是和声明方法的类相关的Class类对象的锁。如果这是一个实例方法，那么此锁是this对象的锁。

 

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  下面谈一谈一些常用的方法:

  wait(),wait(long),notify(),notifyAll()等方法是当前类的实例方法,
   
        wait()是使持有对象锁的线程释放锁;
        wait(long)是使持有对象锁的线程释放锁时间为long(毫秒)后,再次获得锁,wait()和wait(0)等价;
        notify()是唤醒一个正在等待该对象锁的线程,如果等待的线程不止一个,那么被唤醒的线程由jvm确定;
        notifyAll是唤醒所有正在等待该对象锁的线程.
        在这里我也重申一下,我们应该优先使用notifyAll()方法,因为唤醒所有线程比唤醒一个线程更容易让jvm找到最适合被唤醒的线程.

    对于上述方法,只有在当前线程中才能使用,否则报运行时错误java.lang.IllegalMonitorStateException: current thread not owner.

 

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    下面,我谈一下synchronized和wait()、notify()等的关系:

1.有synchronized的地方不一定有wait,notify

2.有wait,notify的地方必有synchronized.这是因为wait和notify不是属于线程类，而是每一个对象都具有的方法，而且，这两个方法都和对象锁有关，有锁的地方，必有synchronized。

另外，请注意一点：如果要把notify和wait方法放在一起用的话，必须先调用notify后调用wait，因为如果调用完wait，该线程就已经不是current thread了。如下例：

java 代码

/**
 * Title:        Jdeveloper's Java Projdect
 * Description:  n/a
 * Copyright:    Copyright (c) 2001
 * Company:      soho  http://www.ChinaJavaWorld.com
 * @author [email protected]
 * @version 1.0
 */
import java.lang.Runnable;
import java.lang.Thread;

public class DemoThread
    implements Runnable {

  public DemoThread() {
    TestThread testthread1 = new TestThread(this, "1");
    TestThread testthread2 = new TestThread(this, "2");

    testthread2.start();
    testthread1.start();

  }

  public static void main(String[] args) {
    DemoThread demoThread1 = new DemoThread();

  }

  public void run() {

    TestThread t = (TestThread) Thread.currentThread();
    try {
      if (!t.getName().equalsIgnoreCase("1")) {
        synchronized (this) {
          wait();
        }
      }
      while (true) {

        System.out.println("@time in thread" + t.getName() + "=" +
                           t.increaseTime());

        if (t.getTime() % 10 == 0) {
          synchronized (this) {
            System.out.println("****************************************");
            notify();
            if (t.getTime() == 100)
              break;
            wait();
          }
        }
      }
    }
    catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }

}

class TestThread
    extends Thread {
  private int time = 0;
  public TestThread(Runnable r, String name) {
    super(r, name);
  }

  public int getTime() {
    return time;
  }

  public int increaseTime() {
    return++time;
  }

}

    下面我们用生产者/消费者这个例子来说明他们之间的关系:

   

java 代码

 public class test {
  public static void main(String args[]) {
    Semaphore s = new Semaphore(1);
    Thread t1 = new Thread(s, "producer1");
    Thread t2 = new Thread(s, "producer2");
    Thread t3 = new Thread(s, "producer3");
    Thread t4 = new Thread(s, "consumer1");
    Thread t5 = new Thread(s, "consumer2");
    Thread t6 = new Thread(s, "consumer3");
    t1.start();
    t2.start();
    t3.start();
    t4.start();
    t5.start();
    t6.start();
  }
}

class Semaphore
    implements Runnable {
  private int count;
  public Semaphore(int n) {
    this.count = n;
  }

  public synchronized void acquire() {
    while (count == 0) {
      try {
        wait();
      }
      catch (InterruptedException e) {
        //keep trying
      }
    }
    count--;
  }

  public synchronized void release() {
    while (count == 10) {
      try {
        wait();
      }
      catch (InterruptedException e) {
        //keep trying
      }
    }
    count++;
    notifyAll(); //alert a thread that's blocking on this semaphore
  }

  public void run() {
    while (true) {
      if (Thread.currentThread().getName().substring(0,8).equalsIgnoreCase("consumer")) {
        acquire();
      }
      else if (Thread.currentThread().getName().substring(0,8).equalsIgnoreCase("producer")) {
        release();
      }
      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + count);
    }
  }
}

       生产者生产,消费者消费,一般没有冲突,但当库存为0时,消费者要消费是不行的,但当库存为上限(这里是10)时,生产者也不能生产.请好好研读上面的程序,你一定会比以前进步很多.

      上面的代码说明了synchronized和wait,notify没有绝对的关系,在synchronized声明的方法、代码块中,你完全可以不用wait,notify等方法,但是,如果当线程对某一资源存在某种争用的情况下,你必须适时得将线程放入等待或者唤醒.

 

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文章终于写完了,基本上将我学习所得全部写出来了,不过也留下些许遗憾,比如synchronized后是类时的深入的说明及讨论.而且,文章由于自己能力有限,有些地方肯定会有错误,希望看过有何建议和批评,请发帖在下面,我会修正该文.谢谢!