多线程安全问题原理和4种解决办法

Posted 2022-12-16 华为云开发者联盟

摘要：多线程访问了共享的数据,会产生线程安全问题。

本文分享自华为云社区《多线程安全问题原理和解决办法Synchronized和ReentrantLock使用与区别》，作者：共饮一杯无。

线程安全问题概述

卖票问题分析

• 单窗口卖票

一个窗口(单线程)卖100张票没有问题
单线程程序是不会出现线程安全问题的

• 多个窗口卖不同的票

3个窗口一起卖票,卖的票不同,也不会出现问题
多线程程序,没有访问共享数据,不会产生问题

• 多个窗口卖相同的票

3个窗口卖的票是一样的,就会出现安全问题
多线程访问了共享的数据,会产生线程安全问题

线程安全问题代码实现

模拟卖票案例

创建3个线程,同时开启,对共享的票进行出售

public class Demo01Ticket 
 public static void main(String[] args) 
 //创建Runnable接口的实现类对象
 RunnableImpl run = new RunnableImpl();
 //创建Thread类对象,构造方法中传递Runnable接口的实现类对象
 Thread t0 = new Thread(run);
 Thread t1 = new Thread(run);
 Thread t2 = new Thread(run);
 //调用start方法开启多线程
        t0.start();
        t1.start();
        t2.start();
 

public class RunnableImpl implements Runnable
 //定义一个多个线程共享的票源
 private int ticket = 100;
 //设置线程任务:卖票
 @Override
 public void run() 
 //使用死循环,让卖票操作重复执行
 while(true)
 //先判断票是否存在
 if(ticket>0)
 //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠
 try 
 Thread.sleep(10);
  catch (InterruptedException e) 
 e.printStackTrace();
 
 //票存在,卖票 ticket--
 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                ticket--;
 
 
 

线程安全问题原理分析

线程安全问题产生原理图

分析：线程安全问题正常是不允许产生的,我们可以让一个线程在访问共享数据的时候,无论是否失去了cpu的执行权;让其他的线程只能等待,等待当前线程卖完票,其他线程在进行卖票。

解决线程安全问题办法1-synchronized同步代码块

同步代码块：synchronized 关键字可以用于方法中的某个区块中，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。

使用synchronized同步代码块格式:

synchronized(锁对象)
可能会出现线程安全问题的代码(访问了共享数据的代码)

代码实现如下：

public class Demo01Ticket 
 public static void main(String[] args) 
 //创建Runnable接口的实现类对象
 RunnableImpl run = new RunnableImpl();
 //创建Thread类对象,构造方法中传递Runnable接口的实现类对象
 Thread t0 = new Thread(run);
 Thread t1 = new Thread(run);
 Thread t2 = new Thread(run);
 //调用start方法开启多线程
        t0.start();
        t1.start();
        t2.start();
 

public class RunnableImpl implements Runnable
 //定义一个多个线程共享的票源
 private int ticket = 100;
 //创建一个锁对象
 Object obj = new Object();
 //设置线程任务:卖票
 @Override
 public void run() 
 //使用死循环,让卖票操作重复执行
 while(true)
 //同步代码块
 synchronized (obj)
 //先判断票是否存在
 if(ticket>0)
 //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠
 try 
 Thread.sleep(10);
  catch (InterruptedException e) 
 e.printStackTrace();
 
 //票存在,卖票 ticket--
 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                    ticket--;
 
 
 
 

⚠️注意:

1. 代码块中的锁对象,可以使用任意的对象。
2. 但是必须保证多个线程使用的锁对象是同一个。
3. 锁对象作用：把同步代码块锁住,只让一个线程在同步代码块中执行。

同步技术原理分析

同步技术原理：

使用了一个锁对象,这个锁对象叫同步锁,也叫对象锁,也叫对象监视器

3个线程一起抢夺cpu的执行权,谁抢到了谁执行run方法进行卖票。

• t0抢到了cpu的执行权,执行run方法,遇到synchronized代码块这时t0会检查synchronized代码块是否有锁对象

发现有,就会获取到锁对象,进入到同步中执行

• t1抢到了cpu的执行权,执行run方法,遇到synchronized代码块这时t1会检查synchronized代码块是否有锁对象

发现没有,t1就会进入到阻塞状态，会一直等待t0线程归还锁对象，t0线程执行完同步中的代码,会把锁对象归 还给同步代码块t1才能获取到锁对象进入到同步中执行

总结:同步中的线程,没有执行完毕不会释放锁,同步外的线程没有锁进不去同步。

解决线程安全问题办法2-synchronized普通同步方法

同步方法:使用synchronized修饰的方法,就叫做同步方法,保证A线程执行该方法的时候,其他线程只能在方法外等着。

格式：

public synchronized void payTicket()
可能会出现线程安全问题的代码(访问了共享数据的代码)

代码实现：

 public /**synchronized*/ void payTicket()
 synchronized (this)
 //先判断票是否存在
 if(ticket>0)
 //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠
 try 
 Thread.sleep(10);
  catch (InterruptedException e) 
 e.printStackTrace();
 
 //票存在,卖票 ticket--
 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                ticket--;
 
 
 

分析：

定义一个同步方法，同步方法也会把方法内部的代码锁住，只让一个线程执行。

同步方法的锁对象是谁?

就是实现类对象 new RunnableImpl()，也是就是this，所以同步方法是锁定的this对象。

解决线程安全问题办法3-synchronized静态同步方法

同步方法:使用synchronized修饰的方法,就叫做同步方法,保证A线程执行该方法的时候,其他线程只能在方法外等着。对于static方法,我们使用当前方法所在类的字节码对象(类名.class)。
格式：

public static synchronized void payTicket()
可能会出现线程安全问题的代码(访问了共享数据的代码)

代码实现：

 public static /**synchronized*/ void payTicketStatic()
 synchronized (RunnableImpl.class)
 //先判断票是否存在
 if(ticket>0)
 //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠
 try 
 Thread.sleep(10);
  catch (InterruptedException e) 
 e.printStackTrace();
 
 //票存在,卖票 ticket--
 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                ticket--;
 
 
 

分析：

静态的同步方法锁对象是谁?

不能是this,this是创建对象之后产生的,静态方法优先于对象

静态方法的锁对象是本类的class属性–>class文件对象(反射)。

解决线程安全问题办法4-Lock锁

Lock接口中的方法:

• public void lock() :加同步锁。
• public void unlock() :释放同步锁

使用步骤:

1. 在成员位置创建一个ReentrantLock对象
2. 在可能会出现安全问题的代码前调用Lock接口中的方法lock获取锁
3. 在可能会出现安全问题的代码后调用Lock接口中的方法unlock释放锁

代码实现：

public class RunnableImpl implements Runnable
 //定义一个多个线程共享的票源
 private int ticket = 100;
 //1.在成员位置创建一个ReentrantLock对象
 Lock l = new ReentrantLock();
 //设置线程任务:卖票
 @Override
 public void run() 
 //使用死循环,让卖票操作重复执行
 while(true)
 //2.在可能会出现安全问题的代码前调用Lock接口中的方法lock获取锁
 l.lock();
 try 
 //先判断票是否存在
 if(ticket>0) 
 //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠
 Thread.sleep(10);
 //票存在,卖票 ticket--
 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->正在卖第" + ticket + "张票");
                    ticket--;
 
  catch (InterruptedException e) 
 e.printStackTrace();
 finally 
 l.unlock();
 //3.在可能会出现安全问题的代码后调用Lock接口中的方法unlock释放锁
 //无论程序是否异常,都会把锁释放
 
 
 

分析：

java.util.concurrent.locks.Lock接口

Lock 实现提供了比使用 synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。相比Synchronized，ReentrantLock类提供了一些高级功能，主要有以下3项：

1.等待可中断，持有锁的线程长期不释放的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，这相当于Synchronized来说可以避免出现死锁的情况。通过lock.lockInterruptibly()来实现这个机制。

2.公平锁，多个线程等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序获得锁，Synchronized锁非公平锁，ReentrantLock默认的构造函数是创建的非公平锁，可以通过参数true设为公平锁，但公平锁表现的性能不是很好。

公平锁、非公平锁的创建方式：

//创建一个非公平锁，默认是非公平锁
Lock lock = new ReentrantLock();
Lock lock = new ReentrantLock(false);
 //创建一个公平锁，构造传参true
Lock lock = new ReentrantLock(true);

3.锁绑定多个条件，一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个对象。ReenTrantLock提供了一个Condition（条件）类，用来实现分组唤醒需要唤醒的线程们，而不是像synchronized要么随机唤醒一个线程要么唤醒全部线程。

ReentrantLock和Synchronized的区别

相同点：

1. 它们都是加锁方式同步；
2. 都是重入锁；
3. 阻塞式的同步；也就是说当如果一个线程获得了对象锁，进入了同步块，其他访问该同步块的线程都必须阻塞在同步块外面等待，而进行线程阻塞和唤醒的代价是比较高的（操作系统需要在用户态与内核态之间来回切换，代价很高，不过可以通过对锁优化进行改善）；

不同点：

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