Java多线程0：核心理论
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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Java多线程0：核心理论相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
并发编程是Java程序员最重要的技能之一，也是最难掌握的一种技能。它要求编程者对计算机最底层的运作原理有深刻的理解，同时要求编程者逻辑清晰、思维缜密，这样才能写出高效、安全、可靠的多线程并发程序。本系列会从线程间协调的方式（wait、notify、notifyAll）、Synchronized及Volatile的本质入手，详细解释JDK为我们提供的每种并发工具和底层实现机制。在此基础上，我们会进一步分析java.util.concurrent包的工具类，包括其使用方式、实现源码及其背后的原理。本文是该系列的第一篇文章，是这系列中最核心的理论部分，之后的文章都会以此为基础来分析和解释。
一、共享性
数据共享是为什么要考虑线程安全的主要原因之一。如果所有的数据只是在当前线程内有效，那就不需要考虑线程安全问题。但是，在多线程编程中，数据共享是不可避免的。比如夫妻双方一人在柜台取钱，一人在ATM上取钱，两个取钱线程共享账户中的余额这一变量，这时候就要考虑线程安全问题了。
举例1：以银行取钱为例说明多线程之间的数据共享
定义一个账户Account，成员变量为账户编号和余额，以及一个取钱的方法，方法中对取钱金额做了判断，只有取的钱<=账户余额的时候，才能取钱成功。
public class Account { //账户编号 private int accountNo; //账户余额 private int balance; public Account(int accountNo, int balance) { this.accountNo = accountNo; this.balance = balance; } //取钱方法 public void drawMoney(int drawMoneyCount){ if(balance >= drawMoneyCount){ try { Thread.sleep(1000); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "取款金额为 = " + drawMoneyCount + "，取款成功"); this.balance = balance - drawMoneyCount; System.out.println("账户余额为===" + (this.balance)); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }else{ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "取款金额为 = " + drawMoneyCount + "，取款失败，余额不足"); } } }
定义一个取钱线程类：
public class Thread03 extends Thread{ private Account account; private int drawMoneyCount; //初始化账户余额和取钱金额 public Thread03(int drawMoneyCount,Account account){ this.drawMoneyCount = drawMoneyCount; this.account = account; } @Override public void run() { account.drawMoney(drawMoneyCount); } }
测试，定义两个取钱线程
public class Test { public static void main(String[] args) { Account account = new Account(123456789,800); //取钱线程1 Thread thread1 = new Thread03(500,account); thread1.setName("张三"); //取钱线程2 Thread thread2 = new Thread03(500,account); thread2.setName("李四"); thread1.start(); thread2.start(); } }
结果：
张三取款金额为 = 500，取款成功 账户余额为===300 李四取款金额为 = 500，取款成功 账户余额为===-200
说明：可以看到，初始账户余额为800，张三取了500，账户余额还剩300，李四取500的时候，按说已经对取钱金额进行校验，不应该取钱成功，但李四还是取出了500。账户余额还剩-300。这是因为两个取钱的线程同时进入到Account的drawMoney方法内部，校验金额的时候都是800>=500，所以都能取钱成功。
解决方法就是对取钱方法进行同步，用synchronized修饰，此处先看一下结果，后续会详细解释synchronized锁机制。
public class Account { //账户编号 private int accountNo; //账户余额 private int balance; public Account(int accountNo, int balance) { this.accountNo = accountNo; this.balance = balance; } //取钱方法 public synchronized void drawMoney(int drawMoneyCount){ if(balance >= drawMoneyCount){ try { Thread.sleep(1000); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "取款金额为 = " + drawMoneyCount + "，取款成功"); this.balance = balance - drawMoneyCount; System.out.println("账户余额为===" + (this.balance)); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }else{ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "取款金额为 = " + drawMoneyCount + "，取款失败，余额不足"); } } }
其余都不变，看一下结果：
张三取款金额为 = 500，取款成功 账户余额为===300 李四取款金额为 = 500，取款失败，余额不足
所以，多线程情况下对共享变量的操作，要考虑线程安全问题。
举例1：以银行存钱取钱为例说明多线程之间的数据共享
public class Account { //账户编号 private int accountNo; //账户余额 private int balance; public Account(int accountNo, int balance) { this.accountNo = accountNo; this.balance = balance; } //取钱方法 public void drawMoney(int drawMoneyCount){ if(balance >= drawMoneyCount){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "取款金额为 = " + drawMoneyCount + "，取款成功"); this.balance = balance - drawMoneyCount; System.out.println("账户余额为===" + (this.balance)); }else{ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "取款金额为 = " + drawMoneyCount + "，取款失败，余额不足"); } } //存钱方法 public void depositMoney(int depositMoneyCount){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "存钱成功，余额为 = " + (this.balance + depositMoneyCount)); this.balance = balance + depositMoneyCount; } }
public class Thread03 extends Thread{ private Account account; private int drawMoneyCount; //初始化账户余额和取钱金额 public Thread03(int drawMoneyCount,Account account){ this.drawMoneyCount = drawMoneyCount; this.account = account; } @Override public void run() { account.drawMoney(drawMoneyCount); } }
public class Thread04 extends Thread{ private Account account; private int depositMoneyCount; //初始化账户余额和存钱金额 public Thread04(int depositMoneyCount, Account account){ this.depositMoneyCount = depositMoneyCount; this.account = account; } @Override public void run() { account.depositMoney(depositMoneyCount); } }
public class Thread04 extends Thread{ private Account account; private int depositMoneyCount; //初始化账户余额和存钱金额 public Thread04(int depositMoneyCount, Account account){ this.depositMoneyCount = depositMoneyCount; this.account = account; } @Override public void run() { account.depositMoney(depositMoneyCount); } }
public class Test { public static void main(String[] args) { Account account = new Account(123456789,0); //存钱线程 Thread thread1 = new Thread04(200,account); thread1.setName("张三"); //取钱线程 Thread thread2 = new Thread03(100,account); thread2.setName("李四"); thread1.start(); thread2.start(); } }
张三存钱成功，余额为 = 200
李四取款金额为 = 100，取款失败，余额不足
public class Account { //账户编号 private int accountNo; //账户余额 private int balance; public Account(int accountNo, int balance) { this.accountNo = accountNo; this.balance = balance; } //取钱方法 public synchronized void drawMoney(int drawMoneyCount){ if(balance >= drawMoneyCount){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "取款金额为 = " + drawMoneyCount + "，取款成功"); this.balance = balance - drawMoneyCount; System.out.println("账户余额为===" + (this.balance)); }else{ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "取款金额为 = " + drawMoneyCount + "，取款失败，余额不足"); } } //存钱方法 public synchronized void depositMoney(int depositMoneyCount){ System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "存钱成功，余额为 = " + (this.balance + depositMoneyCount)); this.balance = balance + depositMoneyCount; } }
张三存钱成功，余额为 = 200 李四取款金额为 = 100，取款成功 账户余额为===100
public class ShareData { private int num; public int getNum() { return num; } public void addNum(){ try { Thread.sleep(100); for(int i = 1; i <= 10; i++) { System.out.println(" " + Thread.currentThread().getName() + "进入方法时间===" + System.currentTimeMillis() + "，共享的num===" + (num + 1) + "，该线程对应i===" + i); num++; } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "的num===" + num); } }
public class Thread01 extends Thread{ private ShareData shareData; public Thread01(ShareData shareData) { this.shareData = shareData; } @Override public void run() { shareData.addNum(); } }
public class Test { public static void main(String[] args) { ShareData shareData = new ShareData(); Thread thread1 = new Thread01(shareData); Thread thread2 = new Thread01(shareData); Thread thread3 = new Thread01(shareData); Thread thread4 = new Thread01(shareData); Thread thread5 = new Thread01(shareData); Thread thread6 = new Thread01(shareData); Thread thread7 = new Thread01(shareData); thread1.start(); thread2.start(); thread3.start(); thread4.start(); thread5.start(); thread6.start(); thread7.start(); } }
Thread-0进入方法时间===1553238253266，共享的num===1，该线程对应i===1 Thread-2进入方法时间===1553238253266，共享的num===1，该线程对应i===1 Thread-1进入方法时间===1553238253266，共享的num===1，该线程对应i===1 Thread-3进入方法时间===1553238253266，共享的num===1，该线程对应i===1 Thread-1进入方法时间===1553238253266，共享的num===4，该线程对应i===2 Thread-2进入方法时间===1553238253266，共享的num===3，该线程对应i===2 Thread-0进入方法时间===1553238253266，共享的num===2，该线程对应i===2 Thread-0进入方法时间===1553238253267，共享的num===8，该线程对应i===3 Thread-0进入方法时间===1553238253267，共享的num===9，该线程对应i===4 Thread-0进入方法时间===1553238253267，共享的num===10，该线程对应i===5 Thread-0进入方法时间===1553238253267，共享的num===11，该线程对应i===6 Thread-0进入方法时间===1553238253267，共享的num===12，该线程对应i===7 Thread-0进入方法时间===1553238253267，共享的num===13，该线程对应i===8 Thread-0进入方法时间===1553238253267，共享的num===14，该线程对应i===9 Thread-0进入方法时间===1553238253267，共享的num===15，该线程对应i===10 Thread-0的count===15 Thread-5进入方法时间===1553238253267，共享的num===16，该线程对应i===1 Thread-5进入方法时间===1553238253267，共享的num===17，该线程对应i===2 Thread-5进入方法时间===1553238253267，共享的num===18，该线程对应i===3 Thread-2进入方法时间===1553238253267，共享的num===7，该线程对应i===3 Thread-4进入方法时间===1553238253267，共享的num===6，该线程对应i===1 Thread-1进入方法时间===1553238253266，共享的num===6，该线程对应i===3 Thread-3进入方法时间===1553238253266，共享的num===5，该线程对应i===2 Thread-1进入方法时间===1553238253268，共享的num===22，该线程对应i===4 Thread-4进入方法时间===1553238253268，共享的num===21，该线程对应i===2 Thread-2进入方法时间===1553238253268，共享的num===20，该线程对应i===4 Thread-5进入方法时间===1553238253267，共享的num===19，该线程对应i===4 Thread-6进入方法时间===1553238253267，共享的num===18，该线程对应i===1 Thread-5进入方法时间===1553238253268，共享的num===27，该线程对应i===5 Thread-2进入方法时间===1553238253268，共享的num===26，该线程对应i===5 Thread-4进入方法时间===1553238253268，共享的num===25，该线程对应i===3 Thread-1进入方法时间===1553238253268，共享的num===24，该线程对应i===5 Thread-3进入方法时间===1553238253268，共享的num===23，该线程对应i===3 Thread-1进入方法时间===1553238253268，共享的num===32，该线程对应i===6 Thread-4进入方法时间===1553238253268，共享的num===31，该线程对应i===4 Thread-2进入方法时间===1553238253268，共享的num===30，该线程对应i===6 Thread-5进入方法时间===1553238253268，共享的num===29，该线程对应i===6 Thread-6进入方法时间===1553238253268，共享的num===28，该线程对应i===2 Thread-5进入方法时间===1553238253268，共享的num===37，该线程对应i===7 Thread-2进入方法时间===1553238253268，共享的num===36，该线程对应i===7 Thread-4进入方法时间===1553238253268，共享的num===35，该线程对应i===5 Thread-1进入方法时间===1553238253268，共享的num===34，该线程对应i===7 Thread-3进入方法时间===1553238253268，共享的num===33，该线程对应i===4 Thread-1进入方法时间===1553238253268，共享的num===42，该线程对应i===8 Thread-4进入方法时间===1553238253268，共享的num===41，该线程对应i===6 Thread-2进入方法时间===1553238253268，共享的num===40，该线程对应i===8 Thread-5进入方法时间===1553238253268，共享的num===39，该线程对应i===8 Thread-6进入方法时间===1553238253268，共享的num===38，该线程对应i===3 Thread-5进入方法时间===1553238253269，共享的num===47，该线程对应i===9 Thread-2进入方法时间===1553238253269，共享的num===46，该线程对应i===9 Thread-4进入方法时间===1553238253268，共享的num===45，该线程对应i===7 Thread-1进入方法时间===1553238253268，共享的num===44，该线程对应i===9 Thread-3进入方法时间===1553238253268，共享的num===43，该线程对应i===5 Thread-1进入方法时间===1553238253269，共享的num===52，该线程对应i===10 Thread-4进入方法时间===1553238253269，共享的num===51，该线程对应i===8 Thread-2进入方法时间===1553238253269，共享的num===50，该线程对应i===10 Thread-2的count===55 Thread-5进入方法时间===1553238253269，共享的num===49，该线程对应i===10 Thread-5的count===56 Thread-6进入方法时间===1553238253269，共享的num===48，该线程对应i===4 Thread-6进入方法时间===1553238253271，共享的num===58，该线程对应i===5 Thread-6进入方法时间===1553238253271，共享的num===59，该线程对应i===6 Thread-6进入方法时间===1553238253271，共享的num===60，该线程对应i===7 Thread-4进入方法时间===1553238253269，共享的num===55，该线程对应i===9 Thread-1的count===53 Thread-3进入方法时间===1553238253269，共享的num===53，该线程对应i===6 Thread-4进入方法时间===1553238253271，共享的num===62，该线程对应i===10 Thread-6进入方法时间===1553238253271，共享的num===61，该线程对应i===8 Thread-4的count===63 Thread-3进入方法时间===1553238253271，共享的num===63，该线程对应i===7 Thread-3进入方法时间===1553238253271，共享的num===66，该线程对应i===8 Thread-6进入方法时间===1553238253271，共享的num===65，该线程对应i===9 Thread-6进入方法时间===1553238253272，共享的num===68，该线程对应i===10 Thread-6的count===68 Thread-3进入方法时间===1553238253271，共享的num===67，该线程对应i===9 Thread-3进入方法时间===1553238253272，共享的num===70，该线程对应i===10 Thread-3的num===70
以上是关于Java多线程0：核心理论的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章