关于线程同步（7种同步方式）

Posted 2020-11-10 yifanSJ

为何要使用同步？

　　java允许多线程并发控制，当多个线程同时操作一个可共享的资源变量时（如数据的增删改查），

　　将会导致数据不准确，相互之间产生冲突，因此加入同步锁以避免在该线程没有完成操作之前，被其他线程的调用，

　　从而保证了该变量的唯一性和准确性。

1. 同步方法

　　即有synchronized关键字修饰的方法。

　　由于java的每个对象都有一个内置锁，当用此关键字修饰方法时，

　　内置锁会保护整个方法。在调用该方法前，需要获得内置锁，否则就处于阻塞状态。

　　代码如：

public synchronized void save(){}

注： synchronized关键字也可以修饰静态方法，此时如果调用该静态方法，将会锁住整个类

2. 同步代码块

　　即有synchronized关键字修饰的语句块。

　　被该关键字修饰的语句块会自动被加上内置锁，从而实现同步。代码如：

synchronized(object){}

　　注：同步是一种高开销的操作，因此应该尽量减少同步的内容。

　　通常没有必要同步整个方法，使用synchronized代码块同步关键代码即可。

　　代码实例：

package com.xhj.thread;  
/**  
 * 线程同步的运用  
 */  
public class SynchronizedThread {  
    class Bank {
        private int account = 100;
        public int getAccount() {  
            return account;  
        }
        /**  
         * 用同步方法实现  
         */  
        public synchronized void save(int money) {  
            account += money;  
        }
        /**  
         * 用同步代码块实现
         */  
        public void save1(int money) {  
            synchronized (this) {  
                account += money;  
            }  
        }  
    }
    class NewThread implements Runnable {  
        private Bank bank;
        public NewThread(Bank bank) {  
            this.bank = bank;  
        } 
        public void run() {  
            for (int i = 0; i < 10; i++) {  
                // bank.save1(10);  
                bank.save(10);  
                System.out.println(i + "账户余额为：" + bank.getAccount());  
            }  
        }
    }
    /**  
     * 建立线程，调用内部类  
     */  
    public void useThread() {  
        Bank bank = new Bank();  
        NewThread new_thread = new NewThread(bank);  
        System.out.println("线程1");  
        Thread thread1 = new Thread(new_thread);  
        thread1.start();  
        System.out.println("线程2");  
        Thread thread2 = new Thread(new_thread);  
        thread2.start();  
    }
    public static void main(String[] args) {  
        SynchronizedThread st = new SynchronizedThread();  
        st.useThread();  
    }
}

3. 使用特殊域变量(volatile)实现线程同步

　　a. volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制，

　　b. 使用volatile修饰域相当于告诉虚拟机该域可能会被其他线程更新，

　　c. 因此每次使用该域就要重新计算，而不是使用寄存器中的值

　　d. volatile不会提供任何原子操作，它也不能用来修饰final类型的变量

　　例如：在上面的例子当中，只需在account前面加上volatile修饰，即可实现线程同步。

　　代码实例：

//只给出要修改的代码，其余代码与上同  
class Bank {  
    //需要同步的变量加上volatile  
    private volatile int account = 100;
    public int getAccount() {  
        return account;  
    }  
    //这里不再需要synchronized   
    public void save(int money) {  
        account += money;  
    }  
｝

注：多线程中的非同步问题主要出现在对域的读写上，如果让域自身避免这个问题，则就不需要修改操作该域的方法。用final域，有锁保护的域和volatile域可以避免非同步的问题。

4.使用重入锁实现线程同步（java.util.concurrent）

　　在JavaSE5.0中新增了一个java.util.concurrent包来支持同步。

　　ReentrantLock类是可重入、互斥、实现了Lock接口的锁，

　　它与使用synchronized方法和快具有相同的基本行为和语义，并且扩展了其能力

 

　　ReenreantLock类的常用方法有：

　　　　ReentrantLock() : 创建一个ReentrantLock实例

　　　　lock() : 获得锁

　　　　unlock() : 释放锁

　　注：ReentrantLock()还有一个可以创建公平锁的构造方法，但由于能大幅度降低程序运行效率，不推荐使用

　　例如：

　　　　在上面例子的基础上，改写后的代码为：

　　代码实例：

//只给出要修改的代码，其余代码与上同  
class Bank {
    private int account = 100;  
    //需要声明这个锁  
    private Lock lock = new ReentrantLock();  
    public int getAccount() {  
        return account;  
    }  
    //这里不再需要synchronized   
    public void save(int money) {  
        lock.lock();  
        try{  
            account += money;  
        }finally{  
            lock.unlock();  
        }
    }  
}

注：关于Lock对象和synchronized关键字的选择：

　　a.最好两个都不用，使用一种java.util.concurrent包提供的机制，

　　　　能够帮助用户处理所有与锁相关的代码。

　　b.如果synchronized关键字能满足用户的需求，就用synchronized，因为它能简化代码

　　c.如果需要更高级的功能，就用ReentrantLock类，此时要注意及时释放锁，否则会出现死锁，通常在finally代码释放锁

5.使用局部变量实现线程同步（java.util）

　　如果使用ThreadLocal管理变量，则每一个使用该变量的线程都获得该变量的副本，

　　副本之间相互独立，这样每一个线程都可以随意修改自己的变量副本，而不会对其他线程产生影响。

　　ThreadLocal 类的常用方法

　　ThreadLocal() : 创建一个线程本地变量

　　　　get() : 返回此线程局部变量的当前线程副本中的值

　　　　initialValue() : 返回此线程局部变量的当前线程的"初始值"

　　　　set(T value) : 将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为value

　　例如：

　　　　在上面例子基础上，修改后的代码为：

　　代码实例：

//只改Bank类，其余代码与上同  
public class Bank{  
    //使用ThreadLocal类管理共享变量account  
    private static ThreadLocal<Integer> account = new ThreadLocal<Integer>(){
        protected Integer initialValue(){  
            return 100;  
        }  
    };  
    public void save(int money){  
        account.set(account.get()+money);  
    }  
    public int getAccount(){  
        return account.get();  
    }  
}

注：ThreadLocal与同步机制

　　a. ThreadLocal与同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。

　　b. 前者采用以"空间换时间"的方法，后者采用以"时间换空间"的方式

6.使用阻塞队列实现线程同步（java.util.concurrent）

 

　　前面5种同步方式都是在底层实现的线程同步，但是我们在实际开发当中，应当尽量远离底层结构。

 

　　使用javaSE5.0版本中新增的java.util.concurrent包将有助于简化开发。

 

　　本小节主要是使用LinkedBlockingQueue<E>来实现线程的同步

 

　　LinkedBlockingQueue<E>是一个基于已连接节点的，范围任意的blocking queue。

 

　　队列是先进先出的顺序（FIFO），关于队列以后会详细讲解~

 

　　LinkedBlockingQueue 类常用方法

 

　　　　LinkedBlockingQueue() : 创建一个容量为Integer.MAX_VALUE的LinkedBlockingQueue

 

　　　　put(E e) : 在队尾添加一个元素，如果队列满则阻塞

 

　　　　size() : 返回队列中的元素个数

 

　　　　take() : 移除并返回队头元素，如果队列空则阻塞

 

　　代码实例：

 

　　　　实现商家生产商品和买卖商品的同步

package com.xhj.thread;  
  
import java.util.Random;  
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;  
/**  
 * 用阻塞队列实现线程同步 LinkedBlockingQueue的使用  
 */  
public class BlockingSynchronizedThread {  
    /**  
     * 定义一个阻塞队列用来存储生产出来的商品  
     */  
    private LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<Integer>();  
    /**  
     * 定义生产商品个数  
     */  
    private static final int size = 10;  
    /**  
     * 定义启动线程的标志，为0时，启动生产商品的线程；为1时，启动消费商品的线程  
     */  
    private int flag = 0;  
    private class LinkBlockThread implements Runnable {
        public void run() {  
            int new_flag = flag++;  
            System.out.println("启动线程 " + new_flag);  
            if (new_flag == 0) {  
                for (int i = 0; i < size; i++) {  
                    int b = new Random().nextInt(255);  
                    System.out.println("生产商品：" + b + "号");  
                    try {  
                        queue.put(b);  
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();  
                    }  
                    System.out.println("仓库中还有商品：" + queue.size() + "个");  
                    try {  
                        Thread.sleep(100);  
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();  
                    }  
                }  
            } else {  
                for (int i = 0; i < size / 2; i++) {  
                    try {  
                        int n = queue.take();  
                        System.out.println("消费者买去了" + n + "号商品");  
                    } catch (InterruptedException e) {  
                        e.printStackTrace();  
                    }  
                    System.out.println("仓库中还有商品：" + queue.size() + "个");  
                    try {  
                        Thread.sleep(100);  
                    } catch (Exception e) {    
                    }  
                }  
            }  
        }  
    }
    public static void main(String[] args) {  
        BlockingSynchronizedThread bst = new BlockingSynchronizedThread();  
        LinkBlockThread lbt = bst.new LinkBlockThread();  
        Thread thread1 = new Thread(lbt);  
        Thread thread2 = new Thread(lbt);  
        thread1.start();  
        thread2.start();
    }
}  

注：BlockingQueue<E>定义了阻塞队列的常用方法，尤其是三种添加元素的方法，我们要多加注意，当队列满时：

　　add()方法会抛出异常

　　offer()方法返回false

　　put()方法会阻塞

7.使用原子变量实现线程同步（java.util.concurrent）

　　需要使用线程同步的根本原因在于对普通变量的操作不是原子的。

　　那么什么是原子操作呢？

　　原子操作就是指将读取变量值、修改变量值、保存变量值看成一个整体来操作，即：这几种行为要么同时完成，要么都不完成。

　　在java的util.concurrent.atomic包中提供了创建了原子类型变量的工具类（内部是基于CAS机制的），

　　使用该类可以简化线程同步。

　　其中AtomicInteger 表可以用原子方式更新int的值，可用在应用程序中(如以原子方式增加的计数器)，

　　但不能用于替换Integer；可扩展Number，允许那些处理机遇数字类的工具和实用工具进行统一访问。

　　AtomicInteger类常用方法：

　　　　AtomicInteger(int initialValue) : 创建具有给定初始值的新的AtomicInteger

　　　　addAddGet(int dalta) : 以原子方式将给定值与当前值相加

　　　　get() : 获取当前值

　　代码实例：

　　　　只改Bank类，其余代码与上面第一个例子同

class Bank {  
    private AtomicInteger account = new AtomicInteger(100);  
    public AtomicInteger getAccount() {  
        return account;  
    }  
    public void save(int money) {  
        account.addAndGet(money);  
    }  
}  

补充--原子操作主要有：

　　对于引用变量和大多数原始变量(long和double除外)的读写操作；

　　对于所有使用volatile修饰的变量(包括long和double)的读写操作。