多线程的同步

Posted 2021-01-01 yumingxing

　　在Java中，有四种方式来实现同步互斥访问：synchronized 、 Lock 、wait() / notify() / notifyAll() 方法和 CAS（硬件CPU同步原语）。

一、synchronized 

1. 同步代码块

1 synchronized(object){
2 }

　　表示线程在执行的时候会将object 对象上锁。（注意这个对象可以是任意类的对象，也可以使用this 关键字表示本对象或者是class 对象）。
　　可能一个方法中只有几行代码会涉及到线程同步问题，所以synchronized块比synchronized 方法更加细粒度地控制了多个线程的访问，只有synchronized 块中的内容不能同时被多个线程所访问，方法中的其他语句仍然可以同时被多个线程所访问（包括synchronized 块之前的和之后的）。

2. 作用于非静态方法

1 public synchronized void increase(){
2      i++;
3 }

　　当一个线程访问某个对象的synchronized 方法时，将该对象上锁，其他任何线程都无法再去访问该对象的synchronized 方法了，直到之前的那个线程执行方法完毕后（或者是抛出了异常），才将该对象的锁释放掉，其他线程才有可能再去访问该对象的 synchronized 方法。

3. 作用于静态方法

1 static int i=0;
2 public synchronized void increase(){
3      i++;
4 }    

　　当一个synchronized 关键字修饰的方法同时又被static 修饰，之前说过，非静态的同步方法会将对象上锁，但是静态方法不属于对象，而是属于类，它会将这个方法所在的类的Class 对象上锁。

二、Lock 的用法。

java.util.concurrent.locks包中常用的类和接口：

　　Lock 接口及其实现类 ReentrantLock

　　ReadWriteLock 接口 及其实现类 ReentrantReadWriteLock

1.Lock  & ReentrantLock

Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try{
    //处理任务
}catch(Exception ex){
     
}finally{
    lock.unlock();   //释放锁
}

　　ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类。使用Lock 必须在 try-catch-finally 块中进行，并且将释放锁的操作放在 finally 块中进行，以保证锁一定被释放，防止死锁的发生。lock 必须要手动释放锁，中断不会自动释放，synchronized 中断后会自动释放锁。

2.ReadWriteLock & ReentrantReadWriteLock

 1 public interface ReadWriteLock {
 2     /**
 3      * return the lock used for reading.
 4      */
 5     Lock readLock();
 6  
 7     /**
 8      * return the lock used for writing.
 9      */
10     Lock writeLock();
11 }

　　读锁是共享锁，写锁是排他锁。如果有一个线程已经占用了读锁，则此时其他线程如果要申请写锁，则申请写锁的线程会一直等待释放读锁。如果有一个线程已经占用了写锁，则此时其他线程如果申请写锁或者读锁，则申请的线程会一直等待释放写锁。

三、wait() / notify() / notifyAll() 方法的使用（Java 中怎样唤醒一个阻塞的线程？）

　　在Java 发展史上曾经使用suspend()、resume()方法对于线程进行阻塞唤醒，但随之出现很多问题，比较典型的还是死锁问题。

　　解决方案可以使用以对象为目标的阻塞，即利用Object 类的wait()和notify()方法实现线程阻塞。
　　首先，wait、notify 方法是针对对象的，调用任意对象的wait()方法都将导致线程阻塞，阻塞的同时也将释放该对象的锁，相应地，调用任意对象的notify()方法则将随机解除该对象阻塞的线程，但它需要重新获取改对象的锁，直到获取成功才能往下执行；其  次，wait、notify 方法必须在synchronized 块或方法中被调用，并且要保证同步块或方法的锁对象与调用wait、notify 方法的对象是同一个，如此一来在调用wait 之前当前线程就已经成功获取某对象的锁，执行wait 阻塞后当前线程就将之前获取的对象锁释放。

四、CAS（硬件CPU同步原语）

1. 如果不用锁机制如何实现共享数据访问？

　　无锁化编程的常用方法：硬件CPU 同步原语CAS（Compare and Swap）。

　　CAS是一种非阻塞的同步方式。CAS 实现了区别于sychronized 同步锁的一种乐观锁，当多个线程尝试使用CAS 同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试。CAS 有3 个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改后的新值B。当且仅当预期值A 和内存值V 相同时，将内存值V 修改为B，否则什么都不做。

　　一个线程间共享的变量，首先在主存中会保留一份，然后每个线程的工作内存也会保留一份副本。这里说的预期值，就是线程保留的副本。当该线程从主存中获取该变量的值后，主存中该变量可能已经被其他线程刷新了，但是该线程工作内存中该变量却还是原来的值，这就是所谓的预期值了。当你要用CAS刷新该值的时候，如果发现线程工作内存和主存中不一致了，就会失败，如果一致，就可以更新成功。

1 public final int incrementAndGet() {
2     for (;;) {
3         int current = get();
4         int next = current + 1;
5         if (compareAndSet(current, next))
6         return next;
7     }
8 }            

　　在这里采用了CAS 操作，每次从内存中读取数据然后将此数据和+1 后的结果进行CAS 操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。

　　首先假设有一个变量i，i 的初始值为0。每个线程都对i 进行+1 操作。CAS是这样保证同步的：假设有两个线程，线程1 读取内存中的值为0，current = 0，next = 1，然后挂起，然后线程2 对i 进行操作，将i 的值变成了1。线程2 执行完，回到线程1，进入if 里的compareAndSet 方法，该方法进行的操作的逻辑是，（1）如果操作数的值在内存中没有被修改，返回true，然后compareAndSet 方法返回next 的值（2）如果操作数的值在内存中被修改了，则返回false，重新进入下一次循环，重新得到current 的值为1，next 的值为2，然后再比较，由于这次没有被修改，所以直接返回2。

 

2. CAS 的优缺点：

优点：CAS 由于是在硬件层面保证的原子性，不会锁住当前线程，它的效率是很高的。

缺点：

1、循环时间长开销大。自旋CAS 如果长时间不成功，会给CPU 带来非常大的。执行开销。因此CAS 不适合竞争十分频繁的场景。

2、只能保证一个共享变量的原子操作。当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS 的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS 就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。