并发编程——线程同步

心已赠人 2022-10-01 00:39 263阅读 0赞

**1、什么是线程同步**

线程同步不是指平常所说的两件事情同时进行。它的目的是使多个线程之间协调工作，而且常常是避免两个线程同时进行某些操作，比如同时访问同一个共享资源。一般来说，同步是通过暂时将会发生冲突操作的某个线程暂停执行（称为阻塞线程），然后等待不会冲突时再继续执行。

**2、线程同步的情况**

**2.1 多个线程同时访问同一对象时**

首先，为什么要使用多线程，比如当你的程序中涉及到多个 很多次数的循环时，如果是单线程的话，第一个循环不执行完，第二个循环就执行不到，所以你的程序运行一次效率会很低，而你把这些循环分别开启一个线程来执行的话，那么cpu会在他们之间来回切换执行，也就说的同时进行，那么 效率自然会高很多。

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），可能会导致数据相互之间产生冲突，因此需要使用线程同步来保证资源变量的唯一性和准确性。

**总的来说，是为了多个线程访问同一数据时，会出现数据的安全性问题，保证数据安全，所以需要同步。**

**2.2 多个线程之间需要协调运行**

如果第二个线程需要等待第一个线程完成到某一步时才能运行，那么该线程应该暂时挂起以减少对CPU的占用时间，提高程序的执行效率。当第一个线程完成了相应的步骤后，应该发出某种信号来激活第二个线程。

**3、java实现线程同步的常用方式**

**3.1 同步方法**

使用synchronized 来修饰某个方法，则该方法称为同步方法。由于java的每个对象都有一个内置锁，当用synchronized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 数据返回类型 方法名(){}

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。

**3.2 同步代码块**

使用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。

**3.3 使用特殊域变量(volatile)实现线程同步**

（1）volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制  
（2）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，  
（3）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  
（4）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account前面加上volatile修饰，即可实现线程同步。

public class SynchronizedThread { 
    
        class Bank {
            //给需要同步的变量account加上volatile
            private volatile int account = 100;
    
            public int getAccount() {
                return account;
            }
    
            public 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;
            }
    
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    // bank.save1(10);
                    bank.save(10);
                    System.out.println(i + "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();
        }
    }

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。

**3.4 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 。使用举例：

public class SynchronizedThread { 
    
         class Bank {
            private int account = 100;
            //需要声明这个锁
            private Lock lock = new ReentrantLock();
            public int getAccount() {
                return account;
            }
    
            public void save(int money) {
                lock.lock();
                try{
                    account += money;
                }finally{
                    lock.unlock();
                } 
            }
        ｝
    
        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 + "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();
        }
    }

**3.5 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

public class SynchronizedThread { 
    
         //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();
            }
        }
    
        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 + "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();
        }
    }

注意，ThreadLocal与同步机制 区别：  
（1）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。  
（2）ThreadLocal采用以”空间换时间”的方法，同步机制采用以”时间换空间”的方式。

**3.6 使用阻塞队列实现线程同步**

前面几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java中的java.util.concurrent包将有助于简化开发。它有ConcurrentLinkedQueue，LinkedBlockingQueue等方法可以实现线程同步。本文主要是使用LinkedBlockingQueue来实现线程的同步。

LinkedBlockingQueue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。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

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 { 
            @Override
            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) {
                            // 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
                        }
                    }
                }
            }
        }
    
        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();
        }
    }

注意，`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

**3.7 使用原子变量实现线程同步**

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。它有AtomicBoolean，AtomicInteger等方法。

其中AtomicInteger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

public class SynchronizedThread { 
    
        //只改Bank类
        class Bank {
            private AtomicInteger account = new AtomicInteger(100);
    
            public AtomicInteger getAccount() {
                return account;
            }
    
            public void save(int money) {
                account.addAndGet(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 + "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();
        }
    }