一、为什么要线程同步
因为当我们有多个线程要同时访问一个变量或对象时,如果这些线程中既有读又有写操作时,就会导致变量值或对象的状态出现混乱,从而导致程序异常。举个例子,如果一个统计变量count
同时被两个线程操作,一个加6,一个减6。假设变量初始值为0,如果加数线程和减数线程同时发生,会出现什么结果呢?减数不成功,统计变量是6。减数成功了,统计变量是0。然而到底是哪个很难说清楚,因此多线程同步就是要解决这个问题。
public class Solution {
public static void main(String[] args) {
final Digit digit = new Digit();
//增加统计量count值的线程
Thread addThread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
while (true) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
digit.addCount(6);
digit.queryCount();
System.out.println("add over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>" + "\n");
}
}
});
//减少统计量count值的线程
Thread reduceThread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
while (true) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
digit.reduceCount(6);
digit.queryCount();
System.out.println("reduce over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>" + "\n");
}
}
});
addThread.start();
reduceThread.start();
}
}
class Digit {
private int count = 0;
public void addCount(int value) {
count += value;
System.out.println("output: count增加了" + value);
}
public void reduceCount(int value) {
if (count - value < 0) {
System.out.println("count不能为负。");
return;
}
count -= value;
System.out.println("output:count减少了" + value);
}
public void queryCount() {
System.out.println("此时count值为:" + count);
}
}
如下运行结果是可能出现的四种情况。根据结果可以看出线程执行出现了混乱。因而此时需要引入线程同步。
count不能为负。
此时count值为:6
reduce over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
output: count增加了6
此时count值为:6
add over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
output:count减少了6
此时count值为:0
reduce over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
output: count增加了6
此时count值为:6
add over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
二、线程同步的几种方式
- synchronized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。
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。
将Digit.java
代码中的方法用synchronized关键字同步,即:
class Digit {
private int count = 0;
public synchronized void addCount(int value) {
count += value;
System.out.println("output: count增加了" + value);
}
public synchronized void reduceCount(int value) {
if (count - value < 0) {
System.out.println("count不能为负。");
return;
}
count -= value;
System.out.println("output:count减少了" + value);
}
public void queryCount() {
System.out.println("此时count值为:" + count);
}
}
此时的输出结果就不会混乱了,如下:
output: count增加了6
此时count值为:6
add over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
output: count增加了6
此时count值为:12
add over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
output:count减少了6
此时count值为:6
reduce over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
output:count减少了6
此时count值为:0
reduce over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
- synchronized同步代码块: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同步关键代码块即可,如下所示:
class Digit {
private int count = 0;
public void addCount(int value) {
synchronized (this) {
count += value;
}
System.out.println("output: count增加了" + value);
}
public void reduceCount(int value) {
synchronized (this) {
if (count - value < 0) {
System.out.println("count不能为负。");
return;
}
count -= value;
}
System.out.println("output:count减少了" + value);
}
public void queryCount() {
System.out.println("此时count值为:" + count);
}
}
此时对应输出如下,可以看到同步代码块和同步方法的效果是一致的,但是同步非常消耗资源,原则上能用同步代码块就不要用同步方法。
output: count增加了6
此时count值为:6
add over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
output:count减少了6
此时count值为:0
reduce over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
output: count增加了6
此时count值为:6
add over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
output:count减少了6
此时count值为:0
reduce over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
- volatile实现同步:保证操作的可见性,访问
volatile
变量时不会执行加锁操作,因此也就不会使执行线程阻塞,因此volatile
变量是一种比sychronized
关键字更轻量级的同步机制。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。volatile
不能保证原子操作导致的,因此volatile不能代替synchronized
。此外volatile
会组织编译器对代码优化,因此能不使用它就不适用它吧。它的原理是每次要线程要访问volatile修饰的变量时都是从内存中读取,而不是存缓存当中读取,因此每个线程访问到的变量值都是一样的。这样就保证了同步。 - 使用可重入锁实现线程同步:
JDK1.5之后引入了java.util.concurrent包,可用来支持同步。ReentrantLock
类是可重入、互斥、实现了Lock接口的锁, 它与使用synchronized
的方式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。将Digit.java
对应的修改为:
class Digit {
private int count = 0;
private ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
public void addCount(int value) {
reentrantLock.lock();
try {
count += value;
System.out.println("output: count增加了" + value);
} finally {
reentrantLock.unlock();
}
}
public void reduceCount(int value) {
reentrantLock.lock();
try {
if (count - value < 0) {
System.out.println("count不能为负。");
return;
}
count -= value;
System.out.println("output:count减少了" + value);
} finally {
reentrantLock.unlock();
}
}
public void queryCount() {
System.out.println("此时count值为:" + count);
}
}
如下为运行结果,可以看到效果和使用synchronized
一致。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 。如果需要更高级的功能,就用ReentrantLock
类,但一定要注意及时释放锁,否则会出现死锁,通常在finally{}
代码释放锁。
output: count增加了6
此时count值为:6
add over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
output:count减少了6
此时count值为:0
reduce over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
output: count增加了6
此时count值为:6
add over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
output: count增加了6
此时count值为:12
add over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
- 使用线程局部变量实现同步: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
对应的Digit.java
修改为:
class Digit {
private static ThreadLocal<Integer> count = new ThreadLocal<Integer>() {
@Override
protected Integer initialValue() {
return 0;
}
};
public void addCount(int value) {
count.set(count.get() + value);
System.out.println("output: count增加了" + value);
}
public void reduceCount(int value) {
if (count.get() - value < 0) {
System.out.println("count不能为负。");
return;
}
count.set(count.get() - value);
System.out.println("output:count减少了" + value);
}
public void queryCount() {
System.out.println("此时count值为:" + count.get());
}
}
此时的运行结果为:
count不能为负。
此时count值为:0
reduce over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
output: count增加了6
此时count值为:6
add over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
count不能为负。
此时count值为:0
reduce over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
output: count增加了6
此时count值为:12
add over>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
但是仔细观察不难发现,使用ThreadLocal
时,只让加不让减,这是为什么呢?先来看看ThreadLocal
的原理:
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。现在明白了吧,原来每个线程运行的都是一个副本,也就是说加数和减数是两个不同的统计变量,只是名字相同而已。所以就会发生上面的效果。
引申
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. wait()和notify():
wait()
:使一个线程处于等待状态,并且释放所持有的对象的lock。
sleep()
:使一个正在运行的线程处于睡眠状态,是一个静态方法,调用此方法要捕捉InterruptedException异常。
notify()
:唤醒一个处于等待状态的线程,注意的是在调用此方法的时候,并不能确切的唤醒某一个等待状态的线程,而是由JVM确定唤醒哪个线程,而且不是按优先级。
详见:Java基础—wait(),sleep(),notify()和notifyAll()方法详解
7. 使用阻塞队列实现线程同步: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,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。
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