3.多线程学习笔记之共享模型之管程

Posted 2022-01-30 野生java研究僧

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了3.多线程学习笔记之共享模型之管程相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

3.1.线程共享变量问题分析

两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗？

    static int counter = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        Thread t1 = new Thread(() -> 
            for (int i = 0; i < 5000; i++) 
                counter++;
            
        , "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> 
            for (int i = 0; i < 5000; i++) 
                counter--;
            
        , "t2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.debug("",counter);

问题分析

以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作，要彻底理解，必须从字节码来进行分析

例如对于 i++ 而言（i 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：

getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
iadd // 自增
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

而对应 i-- 也是类似：

getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
isub // 自减
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和工作内存中进行数据交换：

如果是单线程以上 8 行代码是顺序执行（不会交错）没有问题：

多线程情况下出现负数的情况：

多线程情况下出现正数的情况：

临界区 Critical Section

一个程序运行多个线程本身是没有问题的
问题出在多个线程访问共享资源
- 多个线程读共享资源其实也没有问题
- 在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题
一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区

例如，下面代码中的临界区

static int counter = 0;
static void increment()
// 临界区

 counter++;

static void decrement()
// 临界区

 counter--;

竞态条件 Race Condition

多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件

3.2.synchronized 解决方案

应用之互斥

为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的。

阻塞式的解决方案：synchronized，Lock
非阻塞式的解决方案：原子变量本次课使用阻塞式的解决方案：synchronized，来解决上述问题，即俗称的【对象锁】，它采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换

注意

虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：

互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码

同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要

一个线程等待其它线程运行到某个点

synchronized 语法

 synchronized(对象) // 线程1， 线程2(blocked)
 
     临界区

使用synchronized解决上面代码数据共享安全问题：

@Slf4j
public class Test1 
    static int counter = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        Thread t1 = new Thread(() -> 
            for (int i = 0; i < 5000; i++) 
                // 不要错误理解为锁住了对象就能一直执行下去
        		synchronized (Test1.class)
                 counter++;
             
            
        , "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> 
            for (int i = 0; i < 5000; i++) 
                synchronized (Test1.class)
                    counter--;
                
            
        , "t2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.debug("",counter);

思考

synchronized 实际是用对象锁保证了临界区内代码的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切换所打断。为了加深理解，请思考下面的问题

如果把 synchronized(obj) 放在 for 循环的外面，如何理解？ for循环不执行完，对象锁不会释放，其他线程无法访问
原子性如果 t1 synchronized(obj1) 而 t2 synchronized(obj2) 会怎样运作？锁的对象不一致，无法保证原子性
锁对象如果 t1 synchronized(obj) 而 t2 没有加会怎么样？如何理解？ t2不会获取对象锁，不会进行阻塞，照常执行

使用面向对象思想进行改进：

   public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        Room room = new Room();
        Thread t1 = new Thread(() -> 
            for (int i = 0; i < 5000; i++) 
           room.increment();
            
        , "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> 
            for (int i = 0; i < 5000; i++) 
               room.decrement();
            
        , "t2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.debug("",room.get());
    
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
public class Room 
    int value = 0;
    public void increment() 
        synchronized (this) 
            value++;
        
    
    public void decrement() 
        synchronized (this) 
            value--;
        
    
    public int get() 
        synchronized (this) 
            return value;

3.3.方法上的synchronized

成员方法上：锁 this

    class Test
        public synchronized void test() 

        
    
    //等价于
    class Test
        public void test() 
            synchronized(this)

静态方法上：锁当前类的Class对象

    class Test
        public synchronized static void test() 
        
    
    //等价于
    class Test
        public static void test() 
            synchronized(Test.class)

不加synchronized的方法，无需获取对象锁，异步执行，不能保证原子性

3.4.线程八锁

其实就是考察 synchronized 锁住的是哪个对象，是否是锁的同一个对象

以下的情况都要考虑是那个线程先抢到cpu执行权

情况1：输出：12或21

class Number
 public synchronized void a() 
 	log.debug("1");
 
 public synchronized void b() 
 	log.debug("2");
 

public static void main(String[] args) 
 Number n1 = new Number();
 new Thread(()-> n1.a(); ).start();
 new Thread(()-> n1.b(); ).start();

情况2：1秒后 12 或 2 1秒后1

class Number
 public synchronized void a() 
 	sleep(1);
	 log.debug("1");
 
 public synchronized void b() 
	 log.debug("2");
 

public static void main(String[] args) 
 Number n1 = new Number();
 new Thread(()-> n1.a(); ).start();
 new Thread(()-> n1.b(); ).start();

// 锁住的都是this，需要进行同步等待，就看谁先获取到cpu执行权

情况3：输出：3 1秒后12 或 23 1秒后 1 或 32 1秒后 1

class Number
 public synchronized void a() 
	 sleep(1);
	 log.debug("1");
 
 public synchronized void b() 
 	log.debug("2");
 
 public void c() 
 	log.debug("3");
 

public static void main(String[] args) 
 Number n1 = new Number();
 new Thread(()-> n1.a(); ).start();
 new Thread(()-> n1.b(); ).start();
 new Thread(()-> n1.c(); ).start();

// n1.a();和n1.b();锁的都是 this对象，n1.c();未加锁无需进行同步等待

情况4：输出：2 1秒后 1

class Number
 public synchronized void a() 
	 sleep(1);
	 log.debug("1");
 
 public synchronized void b() 
	 log.debug("2");
 

public static void main(String[] args) 
 Number n1 = new Number();
 Number n2 = new Number();
 new Thread(()-> n1.a(); ).start();
 new Thread(()-> n2.b(); ).start();

// 锁的不是同一个对象，不会产生互斥

情况5：输出：2 1秒后 1

class Number
 public static synchronized void a() 
 	sleep(1);
 	log.debug("1");
 
 public synchronized void b() 
	 log.debug("2");
 
    
public static void main(String[] args) 
 Number n1 = new Number();
 new Thread(()-> n1.a(); ).start();
 new Thread(()-> n1.b(); ).start();

// 锁的不是同一个对象，不会产生互斥，一个锁的this，一个锁的Number.class

情况6：输出：1秒后 12，或 2 1秒后 1

class Number
 public static synchronized void a() 
 	sleep(1);
	 log.debug("1");
 
 public static synchronized void b() 
 	log.debug("2");
 

public static void main(String[] args) 
 Number n1 = new Number();
 new Thread(()-> n1.a(); ).start();
 new Thread(()-> n1.b(); ).start();

// 锁的都是Number.class对象

情况7：：2 1秒后 1

class Number
 public static synchronized void a() 
 	sleep(1);
 	log.debug("1");
 
 public synchronized void b() 
 	log.debug("2");
 

public static void main(String[] args) 
 Number n1 = new Number();
 Number n2 = new Number();
 new Thread(()-> n1.a(); ).start();
 new Thread(()-> n2.以上是关于3.多线程学习笔记之共享模型之管程的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章 
 3.多线程学习笔记之共享模型之管程
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