Java多线程详解（线程同步）

2023-10-26

嗨喽～小伙伴们我来了，

上一章，我们通过几个例子（点击跳转）介绍了线程安全问题，而说到线程安全就不得不提到线程同步，它是解决线程安全的一种重要方法。本章就来简单地介绍一下线程同步。

从上一章的学习我们知道，当多个线程操作一个资源的时候，有可能由于线程的不确定切换出现数据不一致的安全问题，因此，我们要解决这个问题，就得想办法使得资源在某个时间戳只能被一个线程访问。基于这样的思想，我们提出了“队列与锁”的策略：

通俗理解，就是将所有线程排成一个队列，给要共享的资源上把锁，只有线程获得该资源的锁之后，才能访问该资源。

这也是线程同步的基本思想。所谓线程同步，是指同一进程中的多个线程相互协调工作从而达到一致性。使用线程同步，在解决线程安全问题的同时还能提高程序的性能。

基于“队列与锁”的思想，JDK中封装了一些用于实现线程同步的类和关键字。我们主要介绍synchronized 和 lock 两种。

一. synchronized

我们知道，在java中，每个对象都有一把唯一的锁，这也是synchronized实现线程同步的基础。总的来说，synchronized实现线程同步主要有三种形式：

形式	特点
实例同步方法	锁的是当前实例对象，执行同步代码前必须获得当前实例的锁
静态同步方法	锁的是当前类的class对象，执行同步代码前必须获得当前类对象的锁
同步代码块	锁的是括号里的对象，对给定对象加锁，执行同步代码块必须获得给定对象的锁

事实上，当两个线程同时对一个对象的某个方法进行调用时，只有一个线程能够抢到该对象的锁，因为一个对象只有一把锁。抢到该对象的锁之后，其他线程就无法访问该对象的所有synchronized方法，但仍可以访问该对象中的非synchronized方法。

下面，我们用代码来演示synchronized的三种用法。为了突出synchronized在线程安全方面的作用，我们采用对比（有synchronized和无synchronized）的方式来介绍。

第一种，修饰实例同步方法。首先，来看一个简单的程序：



/**
 * @author sixibiheye
 * @date 2021/8/31
 * @apiNote synchronized用法举例
 */

public class Synchronized implements Runnable{
    //公共资源
    static int count = 0;
    public void increase(){
        count++;
    }
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            increase();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(new Synchronized(),"A").start();
        new Thread(new Synchronized(),"B").start();
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println(count);
    }
}

如果小伙伴们学习了上一章的内容，应该很容易看出这个程序是存在线程安全问题的，它的输出结果如下：

如果小伙伴们不太理解的话，可以去看我的上一篇博文。

上一篇博文中说到，对于“count++”，JVM是这样处理的：

1. 某线程从内存中读取count值到寄存器

2. 某线程在寄存器中修改count的值

3. 某线程将修改后的count值写入内存

简单解释一下，我们开启了两个线程去执行increase()方法，如果没有任何保护机制，假设，当count的值累加到1000时，A线程从主内存中读取到寄存器的count值为1000，执行完“count++”操作后，寄存器中的count值为1001，刚想写入内存，B线程正好抢到了CPU的使用权，开始执行run()方法，由于未写入内存，B线程从内存中读取到的count值为仍为1000，执行完“count++”操作后，B线程成功地将1001写入内存，接着A线程将自己寄存器中的count值1001写入内存（覆盖了B线程的1001），由此导致，虽然执行了两个线程，但count的值只累加了一次，这样的情况多发生几次，计算结果自然就低于20000了。

为了避免以上情况发生，我们给increase()方法加上修饰符synchronized，使得两个线程无法同时调用increase()方法，以保证上面的三步中的任何一步都不会被另外一个线程打断。

这样，“count++”操作就永远不会因线程切换而出错。代码如下：



/**
 * @author sixibiheye
 * @date 2021/8/31
 * @apiNote synchronized用法举例
 */

public class Synchronized implements Runnable{
    //公共资源
    static int count = 0;
    //synchronized实现线程同步
    public synchronized void increase(){
        count++;
    }
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            increase();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(new Synchronized(),"A").start();
        new Thread(new Synchronized(),"B").start();
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println(count);
    }
}

现在来看运行结果：

没有任何问题。

此外，使用synchronized时，有几个需要注意的地方，请看下面的代码：


/**
 * @author sixibiheye
 * @date 2021/8/31
 * @apiNote synchronized用法举例
 */

public class Synchronized implements Runnable{
    public synchronized void running() throws InterruptedException {
        System.out.println("1");
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("2");
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            running();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //用同一个类创建两个对象
        Synchronized sync1 = new Synchronized();
        new Thread(sync1).start();
        Synchronized sync2 = new Synchronized();
        new Thread(sync2).start();
    }
}

如果我们使用不同的对象访问，那么结果有可能是不同步的：

因为synchronized修饰实例方法时锁的对象是this对象，而使用两个对象去访问，不是同一把锁。如果我们用同一对象访问：

//只创建一个对象
Synchronized sync = new Synchronized();
new Thread(sync).start();
new Thread(sync).start();

那结果是同步的：

接着，我们来看synchronized修饰静态方法的例子：


/**
 * @author sixibiheye
 * @date 2021/8/31
 * @apiNote synchronized用法举例
 */

public class Synchronized implements Runnable{
    public static synchronized void running() throws InterruptedException {
        System.out.println("1");
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("2");
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            running();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //用同一个类创建两个对象
        Synchronized sync1 = new Synchronized();
        new Thread(sync1).start();
        Thread.sleep(2000);
        Synchronized sync2 = new Synchronized();
        new Thread(sync2).start();
    }
}

虽然有sync1，sync2两个对象，但是它们是同一个类对象(Synchronized.class)产生的，而synchronized修饰静态方法时，锁的是 Synchronized.class，因此两个线程仍然是同步的：

最后一种，synchronzied修饰同步代码块，它可以锁任何指定的对象，语法示例如下：

synchronized (this){
      System.out.println("1");
      Thread.sleep(1000);
      System.out.println("2");
}

this指代当前实例对象，可以换为任何对象。

那么为什么要使用同步代码块呢？

在某些情况下，我们编写的方法体可能比较庞大，同时又有一些耗时的操作，如果对整个方法体进行同步，效率会大大降低，所以我们希望能够只同步必要的代码块，对于一些不需要同步的或者耗时较长的操作，放到同步代码块之外，比如：


/**
 * @author sixibiheye
 * @date 2021/8/31
 * @apiNote synchronized用法举例
 */

public class Synchronized implements Runnable{
    public void running() throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println("这是耗时操作。");
        }
        //需要同步的代码块写下面
        synchronized (this){
            System.out.println("1");
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println("2");
        }
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            running();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Synchronized sync = new Synchronized();
        new Thread(sync).start();
        new Thread(sync).start();
    }
}

运行结果如下：

再运行一次：

结果表明，需要同步的代码块确实实现了同步。

二. lock

前面使用的synchronized关键字可以实现多线程间的同步互斥，其实，在JDK1.5后新增的ReentrantLock 类同样可以实现这个功能，而且在使用上比 synchronized 更为灵活。

翻阅源码，可以看到 ReentrantLock 类实现了Lock接口：

下面我们用ReentrantLock类来实现简单的线程同步：


import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * @author sixibiheye
 * @date 2021/8/31
 * @apiNote ReentrantLock实现线程同步
 */
public class LockDemo implements Runnable{
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    /**
     * 
     * 按照规范，
     * lock()后面应紧跟try代码块，
     * 并将unlock()放到finally块的第一行
     * 
     */
    @Override
    public void run() {
        //上锁
        lock.lock();
        try {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程中的i=" + i);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //释放锁
            lock.unlock();
        }
    }
    public static void main(String[] args) 
        new Thread(new LockDemo(),"A").start();
        new Thread(new LockDemo(),"B").start();
    }
}

其实关于Lock 和 ReentrantLock，还有许多其他的用法，限于篇幅，就不一一介绍了，有兴趣的小伙伴们可以查阅相关资料。

了解了synchronized和ReentrantLock，对于上一章提出的三个线程安全问题，便可以轻松地解决了。下面提供使用synchronized的解决方式：


/**
 * @author sixibiheye
 * @date 2021/8/28
 * @apiNote 线程安全问题一-------取钱问题
 */
public class UnsafeBank {

    public static void main(String[] args) {
        //账户
        Account account = new Account(100,"买房基金");
        //你和你的妻子都要取钱
        Drawing you = new Drawing(account,50,"你");
        Drawing girlFriend = new Drawing(account,100,"妻子");
        you.start();
        girlFriend.start();
    }
}

//账户
class Account{
    int money; //余额
    String name; //卡名
    public Account(int money,String name){
        this.money = money;
        this.name = name;
    }
}

//银行
class Drawing extends Thread{
    Account account; //账户
    int drawingMoney; //取的钱
    int nowMoney; //现手上有的钱
    public Drawing(Account account,int drawingMoney,String name){
        super(name);
        this.account = account;
        this.drawingMoney = drawingMoney;
    }
    @Override
    public void run() {
        //注意锁的是account对象，而不是this
        synchronized (account){
            if(account.money - drawingMoney < 0){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "钱不够了，取不了！");
                return;
            }
            try {
                sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            //卡内余额
            account.money = account.money - drawingMoney;
            //手里的钱
            nowMoney = nowMoney + drawingMoney;
            //打印
            System.out.println(account.name + "余额为：" + account.money);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "手里的钱：" + nowMoney);
        }
        }
}


/**
 * @author sixibiheye
 * @date 2021/8/27
 * @apiNote 线程安全问题一-------买票问题
 */
public class UnsafeBuyTicket {
    public static void main(String[] args) {
        BuyTicket buyTicket = new BuyTicket();
        new Thread(buyTicket,"小红").start();
        new Thread(buyTicket,"小白").start();
        new Thread(buyTicket,"小黑").start();
    }
}

class BuyTicket implements Runnable{
    //票数
    private int tickets = 10;
    //线程停止的标志位
    private boolean flag = true;
    //直接同步实例方法即可
    private synchronized void buy() throws InterruptedException {
        //判断是否有票
        if(tickets <= 0){
            flag = false;
            return;
        }
        //模拟延时，保证多人都能买到票
        Thread.sleep(20);
        //买票
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到了第" + tickets-- +"张票");

    }
    @Override
    public void run() {
        while (flag){
            try {
                buy();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}


import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * @author sixibiheye
 * @date 2021/8/28
 * @apiNote 线程安全问题一-------列表问题
 */

public class UnsafeList {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread( () -> {
                //同步需要修改的list对象
                synchronized (list){
                    list.add(Thread.currentThread().getName());
                }
            }).start();
        }
        //sleep保证上述for循环跑完再输出
        Thread.sleep(3000);
        //输出列表大小
        System.out.println(list.size());
    }
}

小伙伴们可以思考一下如果使用ReentrantLock应该如何解决。

下一章，我们将着重介绍Thread类中的一些常用方法（点击跳转），好啦～本章的内容到这就结束了，喜欢的小伙伴们点个赞鼓励支持一下吧～

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