(整理)java基础——线程同步

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如果不使用线程同步

class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        SellRunnable sellRunnable = new SellRunnable();
        Thread thread1 = new Thread(sellRunnable, "1");
        Thread thread2 = new Thread(sellRunnable, "2");
        Thread thread3 = new Thread(sellRunnable, "3");
        thread2.start();
        thread1.start();
        thread3.start();
    }

}

class SellRunnable implements Runnable {
    //有十张票
    int index = 10;

    public  void sell() {
        if (index >= 1) {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            index--;
            System.out.println("售货窗口：" + Thread.currentThread().getName() + "  卖出了一张票,剩余：" + index);
        } else {
            System.out.println("售货窗口：" + Thread.currentThread().getName() + " 买票时没票了");
        }

    }

    @Override
    public void run() {

        while (index > 0) {
            System.out.println("售货窗口：" + Thread.currentThread().getName() + " 开始买票");
            sell();
        }
    }
}
运行结果：
售货窗口：2 开始买票
售货窗口：1 开始买票
售货窗口：3 开始买票
售货窗口：2  卖出了一张票,剩余：9
售货窗口：2 开始买票
售货窗口：1  卖出了一张票,剩余：8
售货窗口：1 开始买票
售货窗口：3  卖出了一张票,剩余：7
售货窗口：3 开始买票
售货窗口：2  卖出了一张票,剩余：4
售货窗口：2 开始买票
售货窗口：1  卖出了一张票,剩余：4
售货窗口：1 开始买票
售货窗口：3  卖出了一张票,剩余：4
售货窗口：3 开始买票
售货窗口：2  卖出了一张票,剩余：1
售货窗口：2 开始买票
售货窗口：3  卖出了一张票,剩余：1
售货窗口：3 开始买票
售货窗口：1  卖出了一张票,剩余：1
售货窗口：1 开始买票
售货窗口：1  卖出了一张票,剩余：0
售货窗口：2  卖出了一张票,剩余：0
售货窗口：3  卖出了一张票,剩余：-1

Process finished with exit code 0

可以看到运行结果是错误的

1. 使用synchronized关键字

同步方法

由于java的每个对象都有一个内置锁，当用此关键字修饰方法时， 内置锁会保护整个方法。在调用该方法前，需要获得内置锁，否则就处于阻塞状态

给一个方法增加synchronized修饰符之后就可以使它成为同步方法，这个方法可以是静态方法和非静态方法，但是不能是抽象类的抽象方法，也不能是接口中的接口方法。

public synchronized void sell() {
    if (index >= 1) {
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        index--;
        System.out.println("售货窗口：" + Thread.currentThread().getName() + "  卖出了一张票,剩余：" + index);
    } else {
        System.out.println("售货窗口：" + Thread.currentThread().getName() + " 买票时没票了");
    }
}

注： synchronized关键字也可以修饰静态方法，此时如果调用该静态方法，将会锁住整个类。

同步代码块


public  void sell() {
    synchronized (this) {
        if (index >= 1) {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            index--;
            System.out.println("售货窗口：" + Thread.currentThread().getName() + "  卖出了一张票,剩余：" + index);
        } else {
            System.out.println("售货窗口：" + Thread.currentThread().getName() + " 买票时没票了");
        }
    }
}

注：同步是一种高开销的操作，因此应该尽量减少同步的内容。通常没有必要同步整个方法，使用synchronized代码块同步关键代码即可。

线程在执行同步方法时是具有排它性的。当任意一个线程进入到一个对象的任意一个同步方法时，这个对象的所有同步方法都被锁定了，在此期间，其他任何线程都不能访问这个对象的任意一个同步方法，直到这个线程执行完它所调用的同步方法并从中退出，从而导致它释放了该对象的同步锁之后。在一个对象被某个线程锁定之后，其他线程是可以访问这个对象的所有非同步方法的。

如果一个对象既有同步方法，又有同步块，那么当其中任意一个同步方法或者同步块被某个线程执行时，这个对象就被锁定了，其他线程无法在此时访问这个对象的同步方法，也不能执行同步块。

2. 同步锁Lock

在JavaSE5.0中新增了一个java.util.concurrent包来支持同步。ReentrantLock类是可重入、互斥、实现了Lock接口的锁，它与使用synchronized方法和快具有相同的基本行为和语义，并且扩展了其能力。ReenreantLock类的常用方法有： 

ReentrantLock() : 创建一个ReentrantLock实例         
lock() : 获得锁        
unlock() : 释放锁

注：ReentrantLock()还有一个可以创建公平锁的构造方法，但由于能大幅度降低程序运行效率，不推荐使用 

public  void sell() {
    lock.lock();//加锁
    if (index >= 1) {
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        index--;
        System.out.println("售货窗口：" + Thread.currentThread().getName() + "  卖出了一张票,剩余：" + index);
    } else {
        System.out.println("售货窗口：" + Thread.currentThread().getName() + " 买票时没票了");
    }
    lock.unlock();//释放锁
}

注：关于Lock对象和synchronized关键字的选择：
a.最好两个都不用，使用一种java.util.concurrent包提供的数据结构(如BlockingQueue)，能够帮助用户处理所有与锁相关的代码。
b.如果synchronized关键字能满足用户的需求，就用synchronized，因为它能简化代码
c.如果需要更高级的功能，就用ReentrantLock类，此时要注意及时释放锁，否则会出现死锁，通常在finally代码释放锁

3. 使用特殊域变量(volatile)实现线程同步

  • volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制；
  • 使用volatile修饰域相当于告诉虚拟机该域可能会被其他线程更新；
  • 因此每次使用该域就要重新计算，而不是使用寄存器中的值；
  • volatile不会提供任何原子操作，它也不能用来修饰final类型的变量。
class Bank {
    //需要同步的变量加上volatile
    private volatile int account = 100;

    public int getAccount() {
        return account;
    }

    //这里不再需要synchronized 
    public void save(int money) {
        account += money;
    }
}

4. 使用阻塞队列实现线程同步

前面几种同步方式都是在底层实现的线程同步，但是我们在实际开发当中，应当尽量远离底层结构。 使用javaSE5.0版本中新增的java.util.concurrent包将有助于简化开发。

核心方法

public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {

    //将给定元素设置到队列中，如果设置成功返回true, 否则返回false。如果是往限定了长度的队列中设置值，推荐使用offer()方法。
    boolean add(E e);

    //将给定的元素设置到队列中，如果设置成功返回true, 否则返回false. e的值不能为空，否则抛出空指针异常。
    boolean offer(E e);

    //将元素设置到队列中，如果队列中没有多余的空间，该方法会一直阻塞，直到队列中有多余的空间。
    void put(E e) throws InterruptedException;

    //将给定元素在给定的时间内设置到队列中，如果设置成功返回true, 否则返回false.
    boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;

    //从队列中获取值，如果队列中没有值，线程会一直阻塞，直到队列中有值，并且该方法取得了该值。
    E take() throws InterruptedException;

    //在给定的时间里，从队列中获取值，时间到了直接调用普通的poll方法，为null则直接返回null。
    E poll(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;

    //获取队列中剩余的空间。
    int remainingCapacity();

    //从队列中移除指定的值。
    boolean remove(Object o);

    //判断队列中是否拥有该值。
    public boolean contains(Object o);

    //将队列中值，全部移除，并发设置到给定的集合中。
    int drainTo(Collection<? super E> c);

    //指定最多数量限制将队列中值，全部移除，并发设置到给定的集合中。
    int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements);
}

实例

class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        SellRunnable sellRunnable = new SellRunnable();
        Thread thread1 = new Thread(sellRunnable, "1");
        Thread thread2 = new Thread(sellRunnable, "2");
        Thread thread3 = new Thread(sellRunnable, "3");
        thread2.start();
        thread1.start();
        thread3.start();
    }
}

class SellRunnable implements Runnable {
    BlockingQueue<Integer> index=new LinkedBlockingDeque<>(10);

    public SellRunnable(){
        for(int i=0;i<10;i++){
            index.add(i);
        }
    }

    public  void sell() {

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        try {
            System.out.println("售货窗口：" + Thread.currentThread().getName() + "  卖出了" + index.take() + "号票");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

    @Override
    public void run() {

        while (index.size() > 0) {
            System.out.println("售货窗口：" + Thread.currentThread().getName() + " 开始买票");
            sell();
        }
    }
}
运行结果：
售货窗口：2 开始买票
售货窗口：1 开始买票
售货窗口：3 开始买票
售货窗口：3  卖出了0号票
售货窗口：3 开始买票
售货窗口：1  卖出了1号票
售货窗口：1 开始买票
售货窗口：2  卖出了2号票
售货窗口：2 开始买票
售货窗口：1  卖出了3号票
售货窗口：1 开始买票
售货窗口：3  卖出了5号票
售货窗口：3 开始买票
售货窗口：2  卖出了4号票
售货窗口：2 开始买票
售货窗口：2  卖出了6号票
售货窗口：3  卖出了7号票
售货窗口：3 开始买票
售货窗口：1  卖出了8号票
售货窗口：1 开始买票
售货窗口：2 开始买票
售货窗口：2  卖出了9号票

5. 使用原子变量实现线程同步

需要使用线程同步的根本原因在于对普通变量的操作不是原子的。

那么什么是原子操作呢？原子操作就是指将读取变量值、修改变量值、保存变量值看成一个整体来操作即-这几种行为要么同时完成，要么都不完成。在java的util.concurrent.atomic包中提供了创建了原子类型变量的工具类，使用该类可以简化线程同步。其中AtomicInteger 表可以用原子方式更新int的值，可用在应用程序中(如以原子方式增加的计数器)，但不能用于替换Integer；可扩展Number，允许那些处理机遇数字类的工具和实用工具进行统一访问。

AtomicInteger类常用方法：

AtomicInteger(int initialValue) //创建具有给定初始值的新的
AtomicInteger addAddGet(int dalta) //以原子方式将给定值与当前值相加
get() // 获取当前值

代码实例：

class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        SellRunnable sellRunnable = new SellRunnable();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(sellRunnable).start();
        }
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        sellRunnable.print();
    }

}

class SellRunnable implements Runnable {
    
    AtomicInteger index1=new AtomicInteger(0);
    int index2 = 0;

    @Override
    public void run() {
        for(int i=0;i<10000;i++){
            index1.addAndGet(1);
            index2++;
        }
    }
    public void print(){
        System.out.println("index1:"+index1.get());
        System.out.println("index2:"+index2);
    }
}

运行结果：
index1:100000
index2:89458
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