线程安全数据同步之 synchronized 与 Lock

Posted 2020-07-31 超超boy

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写在前面

本篇文章讲的东西都是android开源网络框架NoHttp的核心点，当然线程、多线程、数据安全这是Java中就有的，为了运行快我们用一个Java项目来讲解。

为什么要保证线程安全/数据同步

当多个子线程访问同一块数据的时候，由于非同步访问，所以数据可能被同时修改，所以这时候数据不准确不安全。

现实生活中的案例

假如一个银行帐号可以存在多张银行卡，三个人去不同营业点同时往帐号存钱，假设帐号原来有100块钱，现在三个人每人存钱100块，我们最后的结果应该是100 + 3 * 100 = 400块钱。但是由于多个人同时访问数据，可能存在三个人同时存的时候都拿到原账号有100，然后加上存的100块再去修改数据，可能最后是200、300或者400。这种清情况下就需要锁，当一个人操作的时候把原账号锁起来，不能让另一个人操作。

案例（非线程安全）代码实现：

1、程序入口，启动三个线程在后台循环执行任务，添加100个任务到队列：

/**
 * 程序入口
 */
public void start() {
    // 启动三个线程
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        new MyTask(blockingQueue).start();
    }
 
    // 添加100个任务让三个线程执行
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        Tasker tasker = Tasker.getInstance();
        blockingQueue.add(tasker);
    }
}

　2、那我们再来看看MyTask这个线程是怎么回事，它是怎么执行Tasker这个任务的。

public class MyTask extends Thread {
 
    ...
 
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                Tasker person = blockingQueue.take();
                person.change();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
 
}

　

分析一下上面的代码，就是一直等待循环便利队列，每拿到一个Tasker时去调用void change()方法让Tasker在子线程中执行任务。

3、我们在来看看Tasker对象怎么执行，单例模式的对象，被重复添加到队列中执行void change()方法：

public class Tasker implements Serializable, Comparable<Tasker> {
 
    private static Integer value = 0;
 
    public void change() {
        value++;
        System.out.println(value);
    }
    ...
}

　　我们来分析一下上面的代码，void change()每被调用一次，属性value的值曾加1，理论上应该是0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10…这样的数据被打印出来，最差的情况下也是1 3 4 6 5 2 8 7 9 10 12 11…这样顺序乱一下而已，但是我们运行起来看看：

 

我们发现了为什么会有3 4 3 3 这种重复数据出现呢？嗯对了，这就是文章开头说的多个线程拿到的value字段都是2，然后各自+1后打印出来的结果都是3，如果应用到我们的银行系统中，那这不是坑爹了麽，所以我们在多线程开发的事后就用到了锁。

多线程保证数据的线程安全与数据同步

多线程开发中不可避免的要用到锁，一段被加锁的代码被一个线程执行之前，线程要先拿到执行这段代码的权限，在Java里边就是拿到某个同步对象的锁（一个对象只有一把锁），如果这个时候同步对象的锁被其他线程拿走了，这个线程就只能等了（线程阻塞在锁池等待队列中）。拿到权限（锁）后，他就开始执行同步代码，线程执行完同步代码后马上就把锁还给同步对象，其他在锁池中等待的某个线程就可以拿到锁执行同步代码了。这样就保证了同步代码在统一时刻只有一个线程在执行。Java中常用的锁有synchronized和Lock两种。
锁的特点：每个对象只有一把锁，不管是synchronized还是Lock它们锁定的只能是某个具体对象，也就是说该对象必须是唯一的，才能被锁起，不被多个线程同时使用。

synchronized的特点

同步锁，当它锁定的方法或者代码块发生异常的时候，它会在自动释放锁；但是如果被它锁定的资源被线程竞争激烈的时候，它的表现就没那么好了。

1、我们来看下下面这段代码：

// 添加100个任务让三个线程执行
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    Tasker tasker = new Tasker();
    blockingQueue.add(tasker);
}

　　这段代码是文章最开头的一段，只是把Tasker.getInstance()改为了new Tasker();，我们现在给Tadker的void change()方法加上synchronized锁：

/**
 * 执行任务；synchronized锁定方法。
 */
public synchronized void change() {
    value++;
    System.out.println(value);
}

　　我们再次执行后发现，艾玛怎么还是有重复的数字打印呢，不是锁起来了麽？但是细心的读者注意到我们添加Tasker到队列中的时候是每次都new Tasker();，这样每次添加进去的任务都是一个新的对象，所以每个对象都有一个自己的锁，一共3个线程，每个线程持有当前task出的对象的锁，这必然不能产生同步的效果。换句话说，如果要对value同步，那么这些线程所持有的对象锁应当是共享且唯一的！这里就验证了上面讲的锁的特点了。那么正确的代码应该是：

Tasker tasker = new Tasker();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    blockingQueue.add(tasker);
}

　　或者给这个任务提供单例模式：

for (int i = 0; i < 100; i++) {
    Tasker tasker = Tasker.getInstance();
    blockingQueue.add(tasker);
}

　这样对象是唯一的，那么public synchronized void change()的锁也是唯一的了。

2、难道我们要给每一个任务都要写一个单例模式麽，我们每次改变对象的属性岂不是把之前之前的对象属性给改变了？所以我们使用synchronized还有一种方案：在执行任务的代码块放一个静态对象，然后用synchronized加锁。我们知道静态对象不跟着对象的改变而改变而是一直在内存中存在，所以：

private static Object object = new Object();
 
public void change() {
    synchronized (object) {
        value++;
        System.out.println(value);
    }
}

　　这样就能保证锁对象的唯一性了，无论我们用new Tasker();和Tasker.getInstance();都不受影响。
我们知道，对于同步静态方法，对象锁就是该静态放发所在的类的Class实例，由于在JVM中，所有被加载的类都有唯一的类对象，具体到本例，就是唯一的Tasker.class对象。不管我们创建了该类的多少实例，但是它的类实例仍然是一个。所以我们上面的代码也可以改为：

public void change() {
    synchronized (Tasker.class) {
        value++;
        System.out.println(value);
    }
}

　根据上面的经验，我们的Tasker.getInstance();方法的具体应该就是：

private static Tasker tasker;
 
public static Tasker getInstance() {
    synchronized (Tasker.class) {
        if (tasker == null)
            tasker = new Tasker();
        return tasker;
    }
}

　3、 synchronized的代码块遇到异常后自动释放锁。我们上面提到synchronized遇到异常后自动释放锁，所以如果我们不能保证代码块是否会发生异常的情况下（当时是资源不紧张时）是可以使用synchronized，我们模拟一下：

public void change() {
    synchronized (object) {
        value++;
        System.out.println(value);
    }
    if (value == 50)
        throw new RuntimeException("");
}

　上面代码应该很清楚了，但value增加到50的时候，这个线程会发生异常，根据我们的推断，执行50的这个线程发生崩溃，但是其他两个线程应该还是正常执行的，我们来测试一下：　

我们看到之前是三个数字一起打印，后来变成两个线程一起打印了，很显然一个线程崩溃了之后还有两个线程在执行，说明object这个锁被释放了。

Lock

由于我们提到synchronized无法中断一个正在等候获得锁的线程，也无法通过投票得到锁，如果不想等下去，也就没法得到锁。所以JSR 166小组花时间为我们开发了java.util.concurrent.lock框架，当Lock锁定的方法或者代码块发生异常的时候，它不会自动释放锁；它拥有与synchronized相同的并发性和内存语义，但是添加了类似锁投票、定时锁等候和可中断锁等候的一些特性。此外，它还提供了在激烈争用情况下更佳的性能。（换句话说，当许多线程都想访问共享资源时，JVM 可以花更少的时候来调度线程，把更多时间用在执行线程上。）
Lock的实现类有哪些？我们在代码中选中Lock，按下Ctrl + T，显示出如下：

我们看到有一个读出锁ReadLock、一个写入锁WriteLock、一个重入锁ReenTrantLock，我们这里主要说在多线程开发中用的最多的重入锁ReenTrantLock。
废话不多说了，其实代码上来讲和上面原来一样的，我们看看怎么实现：

/** Lock模块事例 **/
private static Lock lock = new ReentrantLock();
 
public void change() {
lock.lock();
 
{// 代码块
    value++;
    System.out.println(value);
}
 
lock.unlock();
}

　　我们看到使用也蛮简单，而且扩展性更好。但是呢我们上面提到如果我们在这里发生了异常呢：

{// 代码块
    value++;
    System.out.println(value);
}

　　经测试，果然被锁起来，所有线程都拿不到执行权限了，所以呢这里也给出一解决方案，哈哈也许你早就想到了，就是咱的try {} finally {}：

public void change() {
    lock.lock();
    try {
        value++;
        System.out.println(value);
        if (value == 50)
            throw new RuntimeException("");
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

　　

我们看到我们在上面的代码中加了一个和synchronized一样的异常，我们再次测试后发现，完全没有发生异常啊是不是哈哈哈，这就是ReentrantLock，这位看的朋友你会用了吗？

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对新手很有指导意义。。。。。。