java:线程通信 java线程同步的方法

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mob64ca141a683a 2023-08-15 23:58:50

文章标签 java:线程通信线程同步 java多线程同步 System 文章分类 Java 后端开发

首先讲一下为什么要实现线程同步：

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。

下面的例子展示了线程冲突导致的问题：

//新建Bank类，它包含了存钱、取钱、余额查询的相关方法
public class Bank {
	private int count = 0;
	//存钱
    public  void addMoney(int money){
        count +=money;
        System.out.println("存进："+money);
    } 
    //取钱
    public  void subMoney(int money){
        if(count-money < 0){
            System.out.println("余额不足");
            return;
        }
        count -=money;
        System.out.println("取出："+money);
    }
    
    //查询
    public void lookMoney(){
        System.out.println("账户余额："+count);
    }
}

//编写两个线程同时进行存取款
public class SyncThreadTest {
	public static void main(String args[]){
        final Bank bank=new Bank();
        
        Thread tadd=new Thread(new Runnable() {         
            @Override
            public void run() {
                // TODO Auto-generated method stub
                while(true){
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                    bank.addMoney(100);
                    bank.lookMoney();
                    System.out.println("\n");                    
                }
            }
        });
        
        Thread tsub = new Thread(new Runnable() {
            
            @Override
            public void run() {
                // TODO Auto-generated method stub
                while(true){
                    bank.subMoney(100);
                    bank.lookMoney();
                    System.out.println("\n");
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }    
                }
            }
        });
        tsub.start();   
        tadd.start();
    }
}

//执行结果
余额不足
账户余额：0
余额不足
存进：100
账户余额：100
账户余额：100
取出：100
存进：100
账户余额：100
账户余额：100
存进：100
取出：100
账户余额：100
账户余额：100
取出：100
账户余额：100
存进：100
账户余额：100
存进：100
账户余额：200
取出：100
账户余额：200

从上例中可以看出在没有线程同步的时候，读取出的账户余额是混乱的，不准确的。

下面看一下实现线程同步的常用方法

1、使用syncronized关键字

使用syncronized关键字修饰方法

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

修饰后Bank代码如下：

public class Bank {
	private int count = 0;
	//存钱
    public synchronized void addMoney(int money){
        count +=money;
        System.out.println("存进："+money);
    } 
    //取钱
    public synchronized void subMoney(int money){
        if(count-money < 0){
            System.out.println("余额不足");
            return;
        }
        count -=money;
        System.out.println("取出："+money);
    }
    
    //查询
    public synchronized void lookMoney(){
        System.out.println("账户余额："+count);
    }
}
//执行后输出
余额不足
账户余额：0
余额不足
存进：100
账户余额：100
账户余额：100
取出：100
账户余额：0
存进：100
账户余额：100
存进：100
账户余额：200
取出：100
账户余额：100
存进：100
账户余额：200
取出：100
账户余额：100
取出：100
账户余额：0
存进：100
账户余额：100

可见同步后查询出的结果正确

2、使用syncronized关键字修饰代码块

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。括号内的内容可以是自己定义的锁对象，参考之前的文章《Java多线程实现的几种方式》中模拟售票程序中使用的同步代码块。

3、使用volatile关键字

public class Bank {
    private int count =0;//账户余额
    //存钱
    public  void addMoney(int money){
        synchronized (this) {
            count +=money;
        }
        System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money);
    }
    //取钱
    public   void subMoney(int money){
        synchronized (this) {
            if(count-money < 0){
                System.out.println("余额不足");
                return;
            }
            count -=money;
        }
        System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
    }
    //查询
    public void lookMoney(){
        System.out.println("账户余额："+count);
    }
}
//此时结果
余额不足
账户余额：0


余额不足
账户余额：100


1539781839026存进：100
账户余额：100


1539781839036存进：100
账户余额：100


1539781839036取出：100
账户余额：100


1539781839046存进：100
1539781839046取出：100
账户余额：200


账户余额：200


1539781839056取出：100
1539781839056存进：100
账户余额：200

此时，顺序又乱了，说明同步又出现了问题，因为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。

4、使用重入锁

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
Bank.java代码修改如下：

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Bank {

    private  int count = 0;// 账户余额
    //需要声明这个锁
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    // 存钱
    public void addMoney(int money) {
        lock.lock();//上锁
        try{
            count += money;
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进：" + money);

        }finally{
            lock.unlock();//解锁
        }
    }
    // 取钱
    public void subMoney(int money) {
        lock.lock();
        try{

            if (count - money < 0) {
                System.out.println("余额不足");
                return;
            }
            count -= money;
            System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money);
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }
    // 查询
    public void lookMoney() {
        System.out.println("账户余额：" + count);
    }
}
//运行结果
余额不足
账户余额：0


余额不足
账户余额：0


1539782304062存进：100
账户余额：100


1539782304072存进：100
账户余额：200


1539782304072取出：100
账户余额：100


1539782304082存进：100
账户余额：200


1539782304083取出：100
账户余额：100


1539782304092存进：100
账户余额：200


1539782304093取出：100
账户余额：100

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。

synchronized的缺点是啥呢：

1）不能响应中断；

2）同一时刻不管是读还是写都只能有一个线程对共享资源操作，其他线程只能等待

3）锁的释放由虚拟机来完成，不用人工干预，不过此即使缺点也是优点，优点是不用担心会造成死锁，缺点是由可能获取到锁的线程阻塞之后其他线程会一直等待，性能不高。

而lock接口的提出就是为了完善synchronized的不完美的，首先lock是基于jdk层面实现的接口，和虚拟机层面不是一个概念；其次对于lock对象中的多个方法的调用，可以灵活控制对共享资源变量的操作，不管是读操作还是写操作；

那么lock和synchronized的区别对比如下：
1）synchronized 在成功完成功能或者抛出异常时，虚拟机会自动释放线程占有的锁；而Lock对象在发生异常时，如果没有主动调用unLock()方法去释放锁，则锁对象会一直持有，因此使用Lock时需要在finally块中释放锁；
2）lock接口锁可以通过多种方法来尝试获取锁包括立即返回是否成功的tryLock(),以及一直尝试获取的lock()方法和尝试等待指定时间长度获取的方法，相对灵活了许多比synchronized;
3) 通过在读多，写少的高并发情况下，我们用ReentrantReadWriteLock分别获取读锁和写锁来提高系统的性能，因为读锁是共享锁，即可以同时有多个线程读取共享资源，而写锁则保证了对共享资源的修改只能是单线程的。

5、使用局部变量同步线程

public class Bank {

    private static ThreadLocal<Integer> count = new ThreadLocal<Integer>(){
        @Override
        protected Integer initialValue() {
            // TODO Auto-generated method stub
            return 0;
        }

    };
    // 存钱
    public void addMoney(int money) {
        count.set(count.get()+money);
        System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进：" + money);

    }

    // 取钱
    public void subMoney(int money) {
        if (count.get() - money < 0) {
            System.out.println("余额不足");
            return;
        }
        count.set(count.get()- money);
        System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money);
    }

    // 查询
    public void lookMoney() {
        System.out.println("账户余额：" + count.get());
    }
}


余额不足
账户余额：0


余额不足
账户余额：0


1539783023361存进：100
账户余额：100


余额不足
1539783023371存进：100
账户余额：200


账户余额：0


余额不足
账户余额：0


1539783023381存进：100
账户余额：300


余额不足
1539783023391存进：100
账户余额：400


账户余额：0


余额不足
1539783023401存进：100
账户余额：0


账户余额：500


余额不足
1539783023411存进：100
账户余额：0

看了运行效果，一开始一头雾水，怎么只让存，不让取啊？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，也就是说存钱和取钱是两个账户，知识名字相同而已。所以就会发生上面的效果。

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

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

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