【字节跳动】面试之加分项之线程同步！

素颜马尾好姑娘i 2021-07-24 13:39 345阅读 0赞

**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。

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## 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
         * 
         * @author XIEHEJUN
         * 
         */
        public class SynchronizedThread {
    
            class Bank {
    
                private int account = 100;
    
                public int getAccount() {
                    return account;
                }
    
                /**
                 * 用同步方法实现
                 * 
                 * @param money
                 */
                public synchronized void save(int money) {
                    account += money;
                }//加入Java开发交流君样：756584822一起吹水聊天
    
                /**
                 * 用同步代码块实现
                 * 
                 * @param money
                 */
                public void save1(int money) {
                    synchronized (this) {
                        account += money;
                    }
                }
            }
    
            class NewThread implements Runnable {
                private Bank bank;
    
                public NewThread(Bank bank) {
                    this.bank = bank;
                }
    
                @Override
                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();
            }//加入Java开发交流君样：756584822一起吹水聊天
    
            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;
                }//加入Java开发交流君样：756584822一起吹水聊天
                //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 ##

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();
                    }//加入Java开发交流君样：756584822一起吹水聊天
                    
                }
            ｝

**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 ##

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>(){
                    @Override
                    protected Integer initialValue(){
                        return 100;
                    }
                };
                public void save(int money){
                    account.set(account.get()+money);
                }
                public int getAccount(){
                    return account.get();
                }//加入Java开发交流君样：756584822一起吹水聊天
            }

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 ##

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
     *
     * @author XIEHEJUN
     *
     */
    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 {
            @Override
            public void run() {
                int new_flag = flag++;
                System.out.println("启动线程 " + new_flag);
                if (new_flag == 0) {//加入Java开发交流君样：756584822一起吹水聊天
                    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) {
                            // TODO Auto-generated catch block
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println("仓库中还有商品：" + queue.size() + "个");
                        try {
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            // TODO Auto-generated catch block
                            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) {
                            // TODO Auto-generated catch block
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println("仓库中还有商品：" + queue.size() + "个");
                        try {
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (Exception e) {
                            // TODO: handle exception
                        }
                    }
                }//加入Java开发交流君样：756584822一起吹水聊天
            }
        }
    
        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 ##

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， 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：**

1.  AtomicInteger(int initialValue) : 创建具有给定初始值的新的AtomicInteger
2.  addAddGet(int dalta) : 以原子方式将给定值与当前值相加
3.  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

1 class Bank {
     2         private AtomicInteger account = new AtomicInteger(100);
     3 
     4         public AtomicInteger getAccount() {
     5             return account;
     6         }
     7 
     8         public void save(int money) {
     9             account.addAndGet(money);
    10         }//加入Java开发交流君样：756584822一起吹水聊天
    11     }

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。

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[20201228144527187.gif_pic_center]: /images/20210724/e02b3d9f2f6b4dd89fa048872487405d.png
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