JUC学习之共享模型上
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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JUC学习之共享模型上相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
JUC学习之共享模型上
导读:
- 共享问题
- synchronized
- 线程安全分析
- Monitor
共享带来的问题
小故事
- 老王（操作系统）有一个功能强大的算盘（CPU），现在想把它租出去，赚一点外快
- 小南、小女（线程）来使用这个算盘来进行一些计算，并按照时间给老王支付费用
- 但小南不能一天24小时使用算盘，他经常要小憩一会（sleep），又或是去吃饭上厕所（阻塞 io 操作），有时还需要一根烟，没烟时思路全无（wait）这些情况统称为（阻塞）
- 在这些时候，算盘没利用起来（不能收钱了），老王觉得有点不划算
- 另外，小女也想用用算盘，如果总是小南占着算盘，让小女觉得不公平
- 于是，老王灵机一动，想了个办法 [ 让他们每人用一会，轮流使用算盘 ]
- 这样，当小南阻塞的时候，算盘可以分给小女使用，不会浪费，反之亦然
- 最近执行的计算比较复杂，需要存储一些中间结果，而学生们的脑容量（工作内存）不够，所以老王申请了一个笔记本（主存），把一些中间结果先记在本上
- 计算流程是这样的
- 但是由于分时系统，有一天还是发生了事故
- 小南刚读取了初始值 0 做了个 +1 运算，还没来得及写回结果
- 老王说 [ 小南，你的时间到了，该别人了，记住结果走吧 ]，于是小南念叨着 [ 结果是1，结果是1…] 不甘心地
到一边待着去了（上下文切换） - 老王说 [ 小女，该你了 ]，小女看到了笔记本上还写着 0 做了一个 -1 运算，将结果 -1 写入笔记本
- 这时小女的时间也用完了，老王又叫醒了小南：[小南，把你上次的题目算完吧]，小南将他脑海中的结果 1 写 入了笔记本
- 小南和小女都觉得自己没做错，但笔记本里的结果是 1 而不是 0
Java 的体现
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：
但多线程下这 8 行代码可能交错运行：
出现负数的情况：
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
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
解决
static int counter = 0;
static final Object room = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
Thread t1 = new Thread(() ->
for (int i = 0; i < 5000; i++)
synchronized (room)
counter++;
, "t1");
Thread t2 = new Thread(() ->
for (int i = 0; i < 5000; i++)
synchronized (room)
counter--;
, "t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
log.debug("",counter);
图解
你可以做这样的类比：
- synchronized(对象) 中的对象，可以想象为一个房间（room），有唯一入口（门）房间只能一次进入一人 进行计算，线程
t1，t2 想象成两个人 - 当线程 t1 执行到 synchronized(room) 时就好比 t1 进入了这个房间，并锁住了门拿走了钥匙，在门内执行count++ 代码
- 这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(room) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待，发生了上下文切换，阻塞住了
- 这中间即使 t1 的 cpu 时间片不幸用完，被踢出了门外（不要错误理解为锁住了对象就能一直执行下去哦）， 这时门还是锁住的，t1
仍拿着钥匙，t2 线程还在阻塞状态进不来，只有下次轮到 t1 自己再次获得时间片时才 能开门进入 - 当 t1 执行完 synchronized 块内的代码，这时候才会从 obj 房间出来并解开门上的锁，唤醒 t2 线程把钥
匙给他。t2 线程这时才可以进入 obj 房间，锁住了门拿上钥匙，执行它的 count-- 代码 - 如果门外有多个线程同时等待，那么当t1执行完后，cpu会决定将时间片分给门外等待的哪一个线程，被选中的线程将得到钥匙，进入房间，剩余线程继续在门外等待
用图来表示
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？-- 原子性
- 如果 t1 synchronized(obj1) 而 t2 synchronized(obj2) 会怎样运作？-- 锁对象
- 如果 t1 synchronized(obj) 而 t2 没有加会怎么样？如何理解？-- 锁对象
需要对同一个对象加锁
面向对象改进
把需要保护的共享变量放入一个类
class Room
int value = 0;
public void increment()
synchronized (this)
value++;
public void decrement()
synchronized (this)
value--;
public int get()
synchronized (this)
return value;
@Slf4j
public class Test1
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
Room room = new Room();
Thread t1 = new Thread(() ->
for (int j = 0; j < 5000; j++)
room.increment();
, "t1");
Thread t2 = new Thread(() ->
for (int j = 0; j < 5000; j++)
room.decrement();
, "t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
log.debug("count: " , room.get());
方法上的 synchronized
普通方法上的锁，锁的是this对象，即调用当前方法的对象
class Test
public synchronized void test()
等价于
class Test
public void test()
synchronized(this)
静态方法上加锁，锁的是类对象，即Test.class对象，类对象在类一开始加载的时候，就被加载进了内存，且一个类只有一个类对象，即类对象是单例的
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
不加 synchronzied 的方法就好比不遵守规则的人，不去老实排队（好比翻窗户进去的）
线程八锁案例
其实就是考察 synchronized 锁住的是哪个对象
- 情况1：12 或 21
@Slf4j(topic = "c.Number")
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();
//锁住的是同一个对象n1,即两个线程一把锁
new Thread(()-> n1.a(); ).start();
new Thread(()-> n1.b(); ).start();
- 情况2：1s后12，或 2 1s后 1
@Slf4j(topic = "c.Number")
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();
//锁住的是同一个对象n1,即两个线程一把锁
new Thread(()-> n1.a(); ).start();
new Thread(()-> n1.b(); ).start();
- 情况3：3 1s 12 或 23 1s 1 或 32 1s 1
@Slf4j(topic = "c.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();
//a方法和b方法的调用，两个线程是一把锁
//但是c方法没有锁，因此是和a或b方法在一开始并行执行的
new Thread(()-> n1.a(); ).start();
new Thread(()-> n1.b(); ).start();
new Thread(()-> n1.c(); ).start();
- 情况4：2 1s 后 1
@Slf4j(topic = "c.Number")
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();
//两个线程是两个锁，一个锁的是n1对象，一个锁的是n2对象
new Thread(()-> n1.a(); ).start();
new Thread(()-> n2.b(); ).start();
- 情况5：2 1s 后 1
@Slf4j(topic = "c.Number")
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();
//a方法上加的锁是类对象锁，即Number.class
new Thread(()-> n1.a(); ).start();
//b方法上加的锁是当前对象锁，即n1对象
//显然与上面线程不是一把锁，所以是并行执行
new Thread(()-> n1.b(); ).start();
- 情况6：1s 后12， 或 2 1s后 1
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number
public static synchronized void a()
sleep(1);
log.debug(JUC学习之共享模型之内存