线程安全问题

Posted 2020-12-16 jiatcode

线程安全

1.概念

多个线程同时运行同一个实现了Runnable接口的类，程序每次运行结果和单线程运行结果是一样的，其他变量的值和预期的一样，就称之为线程安全的，反之则是不安全的

2.问题演示

如下模拟一个抢票系统：

• 定义一个Ticket线程类

  public class Ticket implements Runnable{
      private int Count = 100;//100张票在售
      public void run() {
          while (true){
              //有剩余票数
              if (Count>=0){
                  //睡眠100毫秒模拟网络延迟
                  try {
                      Thread.sleep(100);
                  } catch (InterruptedException e) {
                      e.printStackTrace();
                  }
                  //输出模拟抢票结果
                  String name = Thread.currentThread().getName();
                  System.out.println(name+"执行;剩余票数："+ Count);
                  Count--;
              }
          }
      }
  
  

• 主程序里我们同时让三个线程调用同一个Ticket对象来进行抢票

  public class TicketSafe {
      public static void main(String[] args) {
          Ticket ticket = new Ticket();
          Thread thread = new Thread(ticket,"窗口一");
          Thread thread2 = new Thread(ticket,"窗口二");
          Thread thread3 = new Thread(ticket,"窗口三");
          thread.start();
          thread2.start();
          thread3.start();
      }
  }
  

• 预期结果应该是三个窗口各自抢票，剩余票数要实时的进行减少，而以上代码的实际效果如下：

  窗口二执行;剩余票数：100
  窗口一执行;剩余票数：100
  窗口三执行;剩余票数：100
  窗口一执行;剩余票数：97
  窗口二执行;剩余票数：97
  窗口三执行;剩余票数：97
  窗口二执行;剩余票数：94
  窗口一执行;剩余票数：94
  窗口三执行;剩余票数：94
  窗口二执行;剩余票数：91
  窗口三执行;剩余票数：90
  窗口一执行;剩余票数：90
  窗口一执行;剩余票数：88
  窗口二执行;剩余票数：88
  ................
  

  可以看出，结果和我们预期的完全不同，分析可知，当多个线程一起对执行一个Runnable接口对象时，会出现以上情况，多个线程结果相同，不符合逻辑，致错原因如下所示：

三个线程同时进入if方法，并发情况下先后打印了结果，其他线程还没来得及count--就打印了，所以下次三个线程打印了一样的结果，count--执行了三次，下次循环还是一样的问题，所以出现了以上结果

• 总结问题：

  • 多个线程在操作共享的数据
  • 操作共享数据的线程代码有多条
  • 多个线程对共享数据有写操作

3.实现线程安全

1.思路

• 只要在某个线程修改共享数据时，阻止其他要修改该共享数据的线程进行，等待修改结束完毕同步之后，才能去抢夺CPU资源，完成对应的操作，保证数据的同步性

2.7种线程同步机制

• 同步代码块（synchronized）
• 同步方法（synchronized）
• 同步锁（Lock）
• 特殊域变量（volatile）
• 局部变量（ThreadLocal）
• 阻塞队列（LinkedBlockingQueue）
• 原子变量（Atomic*）

3.同步代码块（synchronized）

• 定义一个锁对象，作为进入代码块的钥匙

• 将需要保证线程安全的代码加入到synchronized下的代码块中，起到安全作用

      //创建锁对象：相当于打开代码块的钥匙
      private Object obj = new Object();
      public void run() {
          while (true){
              //有剩余票数
              //同步代码块，线程到这里的时候，都会去请求一个obj资源，只有一个线程可以拿到
              //拿到obj的线程才能进入代码块，其他请求的线程只能继续等待，等待obj锁对象被释放
              synchronized (obj){
                .....................
              }
          }
      }
  

• 只有获取到obj的线程才能执行代码块，其余的线程必须等该线程运行完释放锁，再获取资源

4.同步方法

• 同步方法与同步代码块类似，使用的是synchronized关键字，不过他是基于方法层面的，关键字在方法上

• synchronized加在线程要运行的方法上，java会自动给该方法加上一个锁对象，类似同步代码块中的obj

• 只有线程拥有该锁对象时，才能运行方法，没有锁对象的方法需要在方法外等待

      //对于非static方法，调用该方法的Runnable实现类对象实例就是锁对象即this，注意对于多个线程来说，他们的this得是同一个实例对象，不然达不到互斥作用,相当于synchronized(new Ticket())
      //对于static方法，当前方法所在类的字节码对象就是锁对象，相当于synchronized(Ticket.class)
      private synchronized void threadSafe(){
          if (Count>=0){
              //睡眠100毫秒模拟网络延迟
              try {
                  Thread.sleep(100);
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
              //输出模拟抢票结果
              String name = Thread.currentThread().getName();
              System.out.println(name+"执行;剩余票数："+ Count);
              Count--;
          }
      }
      public void run() {
          while (true) {
              threadSafe();
          }
      }
  

5.同步锁（Lock）

• java.util.Concurrent.locks.Lock 机制提供了比synchronized关键字更广泛的锁定操作，同步代码块/同步方法具有的功能Lock都有，lock有更强大的功能，更体现面向对象

• 同步锁的方法

  public void lock();   //加同步锁
  public void unlock();  //释放同步锁
  

• 锁有多种，后面会有详细专题，这里先暂时使用以下重入锁（释放后还可以被调用的锁），以下为使用方式

  • 先创建Lock对象
  • 将需要加锁的代码块放在try中
  • 在try前加上锁，在finally中释放锁，以确保不会导致死锁

     //创建一个lock对象，重入锁实例
      //参数fair：
      //   true---公平锁：所有线程都能公平的得到机会
      //   false（默认）---独占锁：只有第一个得到的线程可以使用，除非它主动放弃或者释放
      Lock lock = new ReentrantLock(false);
  
      public void run() {
          while (true) {
              lock.lock();//加上锁，只要有这个方法就一定要在某处有unlock，否则会导致死锁
              //为保证unlock一定被执行，使用try finally来实现
              try{
                  if (Count>=0){
                      //睡眠100毫秒模拟网络延迟
                      try {
                          Thread.sleep(100);
                      } catch (InterruptedException e) {
                          e.printStackTrace();
                      }
                      //输出模拟抢票结果
                      String name = Thread.currentThread().getName();
                      System.out.println(name+"执行;剩余票数："+ Count);
                      Count--;
                  }
              }finally {
                  //保证释放锁
                 lock.unlock();
              }
          }
      }
  

实验结果发现：当重入锁ReentrantLock的参数为true，即公平锁时，每个线程是公平的获得执行方法的权力，结果是非常有规律的1，2，3，1，2，3；而当定义为独占锁时，才有随机的效果，每个线程谁先获得锁，就可以执行。

关于锁的小结

• synchronized是java内置的关键字，在jvm层面；Lock是java类，在编码层面
• synchronized无法获取锁的状态，Lock可以判断是否获取到锁
• synchronized可以主动释放锁，Lock需要手动unlock
• synchronized阻塞的线程获取不到锁就会一直等待一直阻塞，Lock阻塞的线程则不会，如果尝试获取不到锁，线程可以不用一直等待就结束了
• synchronized锁可重入，不可判断，非公平，而Lock都可以自己定义
• synchronized适合少量代码的同步问题，Lock适合大量同步的代码问题