Java专题十三：线程安全与同步

Posted 2021-02-21 黄先生的日志

Java专题十三（2）：线程安全与同步

目录

• Java专题十三（2）：线程安全与同步
  • 原子变量
  • synchronized关键字
  • 锁机制
    • 一些锁的概念
  • 计数信号量

多个线程访问共享资源和可变资源时，由于线程执行的随机性，可能导致程序出现错误的结果

假设我们要实现一个视频网站在线人数统计功能，在每个客户端登录网站时，统计在线人数，通常用一个变量count代表人数，用户上线后，count++

class Online{

    int count;

    public Online(){
        this.count = 0;
    }

    public void login(){
        count++;
    }
}

假设目前在线人数count是10，甲登录网站，网站后台读取到count值为10（count++分为三步：读取-修改-写入），还没来得及修改，这时乙也在登录，后台读取到count值也为10，最终甲、乙登录完成后，count变为了11，正确结果本来应该是12的

原子变量

java.util.concurrent.atomic包中有很多原子变量，用于对数据进行原子操作
如对于上面的问题，可以用AtomicInteger原子变量的incrementAndGet()来实现正确操作

synchronized关键字

• 方法同步

public synchronized void login(){
    count++;
}

• 代码块同步
  静态方法内代码：synchronized(Online.class)
  非静态方法内代码：synchronized(this)

public void login(){
    synchronized(this){
        count++;
    }
}

锁机制

位于java.util.concurrent.locks包中

public interface Lock {
    void lock();
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
    Condition newCondition();
}

锁	说明
ReentrantLock	可重入互斥锁
ReentrantReadWriteLock	可重入读写锁

• ReentrantLock

class X {
   private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
   // ...

   public void m() {
     lock.lock();  // block until condition holds
     try {
      // ... method body
     } finally {
       lock.unlock()
     }
   }
 }}

• ReentrantReadWriteLock

 class CachedData {
   Object data;
   volatile boolean cacheValid;
   final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
 
   void processCachedData() {
     rwl.readLock().lock();
     if (!cacheValid) {
       // Must release read lock before acquiring write lock
       rwl.readLock().unlock();
       rwl.writeLock().lock();
       try {
         // Recheck state because another thread might have
         // acquired write lock and changed state before we did.
         if (!cacheValid) {
           data = ...
           cacheValid = true;
         }
         // Downgrade by acquiring read lock before releasing write lock
         rwl.readLock().lock();
       } finally {
         rwl.writeLock().unlock(); // Unlock write, still hold read
       }
     }
 
     try {
       use(data);
     } finally {
       rwl.readLock().unlock();
     }
   }
 }}

一些锁的概念

可重入锁：同一线程在方法获取锁的时候，在进入前面方法内部调用其它方法会自动获取锁
公平锁：按照线程锁申请后顺序来获取锁
非公平锁：不一定按照线程锁申请先后顺序来获取锁

乐观锁：乐观地认为其他人读数据时都不会修改数据，不会上锁
悲观锁：悲观地认为其他人读数据时都会修改数据，会上锁，别人只能等待它释放锁
共享锁：同一时刻可以被多个线程拥有
独占锁：同一时刻只能被一个线程拥有

计数信号量

java.util.concurrent.Semaphore
通常一个信号量维持着一个许可证的集合，acquire方法会申请许可证permit，让线程阻塞直到许可证是空的，而release方法会释放一个许可证

假设现在有一个类使用信号量去实现资源池，生产者消费者模式线程同步

public class Pool<E> {
    private final E[] items;
    private final Semaphore availableItems;
    private final Semaphore availableSpaces;
    private int putPosition = 0, takePosition = 0;

    Pool(int capacity) {
        availableItems = new Semaphore(0);
        availableSpaces = new Semaphore(capacity);
        items = (E[]) new Object[capacity];
    }

    boolean isEmpty(){
        return availableItems.availablePermits() == 0;
    }

    boolean isFull(){
        return availableSpaces.availablePermits() == 0;
    }

    public void put(E x) throws InterruptedException {
        availableSpaces.acquire();
        doInsert(x);
        availableItems.release();
    }

    public E take() throws InterruptedException {
        availableItems.acquire();
        E item = doExtract();
        availableSpaces.release();
        return item;
    }

    private synchronized void doInsert(E x) {
        int i = putPosition;
        items[i] = x;
        putPosition = (++i == items.length) ? 0 : i;
    }

    private synchronized E doExtract() {
        int i = takePosition;
        E x = items[i];
        items[i] = null;
        takePosition = (++i == items.length) ? 0 : i;
        return x;
    }
}

首先定义2个信号量Semaphore：

• availableItems代表可用资源数，数值初始化为0
• availableSpaces可用空间数，数值初始化为capacity

生产消费操作实现方法：

• 从池中取出资源（take）：

  • 判断是否有可用资源，调用availableItems.acquire()查询availableItems许可证，该方法会阻塞直到池中有可用资源
  • 存入资源（doExtract方法）
  • 释放availableSpaces.release()释放许可证，表示池中多了一个可用的空间，可以用来存放新的资源

• 放入资源至池中（put）：

  • 判断是否有可用空间，调用availableSpaces.acquire()查询availableSpaces许可证，该方法会阻塞直到池中有可用空间
  • 取出资源（doInsert方法）
  • 释放availableItems.release()释放许可证，表示池中多了一个可用资源，可以来访问该资源