JavaSE基础教程(二十七)线程安全、线程同步、死锁、Lock锁、等待唤醒机制

第1章 多线程

1.1 线程安全

如果有多个线程在同时运行,而这些线程可能会同时运行这段代码。程序每次运行结果和单线程运行的结果是一样的,而且其他的变量的值也和预期的是一样的,就是线程安全的。

  • 我们通过一个案例,演示线程的安全问题:

电影院要卖票,我们模拟电影院的卖票过程。假设要播放的电影是 “功夫熊猫3”,本次电影的座位共100个(本场电影只能卖100张票)。

我们来模拟电影院的售票窗口,实现多个窗口同时卖 “功夫熊猫3”这场电影票(多个窗口一起卖这100张票)

需要窗口,采用线程对象来模拟;需要票,Runnable接口子类来模拟

  • 测试类
public class ThreadDemo {
	public static void main(String[] args) {
		//创建票对象
		Ticket ticket = new Ticket();
		
		//创建3个窗口
		Thread t1  = new Thread(ticket, "窗口1");
		Thread t2  = new Thread(ticket, "窗口2");
		Thread t3  = new Thread(ticket, "窗口3");
		
		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();
	}
}
  • 模拟票
public class Ticket implements Runnable {
	//共100票
	int ticket = 100;

	@Override
	public void run() {
		//模拟卖票
		while(true){
			if (ticket > 0) {
				//模拟选坐的操作
				try {
					Thread.sleep(1);
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
			}
		}
	}
}

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运行结果发现:上面程序出现了问题

  • 票出现了重复的票
  • 错误的票 0、-1

其实,线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作,而无写操作,一般来说,这个全局变量是线程安全的;若有多个线程同时执行写操作,一般都需要考虑线程同步,否则的话就可能影响线程安全。

1.2 线程同步(线程安全处理Synchronized)

java中提供了线程同步机制,它能够解决上述的线程安全问题。

线程同步的方式有两种:

  • 方式1:同步代码块
  • 方式2:同步方法

1.2.1 同步代码块

同步代码块: 在代码块声明上 加上synchronized

synchronized (锁对象) {
	可能会产生线程安全问题的代码
}

同步代码块中的锁对象可以是任意的对象;但多个线程时,要使用同一个锁对象才能够保证线程安全。

使用同步代码块,对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改:

public class Ticket implements Runnable {
	//共100票
	int ticket = 100;
	//定义锁对象
	Object lock = new Object();
	@Override
	public void run() {
		//模拟卖票
		while(true){
			//同步代码块
			synchronized (lock){
				if (ticket > 0) {
					//模拟电影选坐的操作
					try {
						Thread.sleep(10);
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
				}
			}
		}
	}
}

当使用了同步代码块后,上述的线程的安全问题,解决了。

1.2.2 同步方法

  • 同步方法:在方法声明上加上synchronized
public synchronized void method(){
   	可能会产生线程安全问题的代码
}

同步方法中的锁对象是 this

使用同步方法,对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改:

public class Ticket implements Runnable {
	//共100票
	int ticket = 100;
	//定义锁对象
	Object lock = new Object();
	@Override
	public void run() {
		//模拟卖票
		while(true){
			//同步方法
			method();
		}
	}

//同步方法,锁对象this
	public synchronized void method(){
		if (ticket > 0) {
			//模拟选坐的操作
			try {
				Thread.sleep(10);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
		}
	}
}
  • 静态同步方法: 在方法声明上加上static synchronized
public static synchronized void method(){
          可能会产生线程安全问题的代码
}

静态同步方法中的锁对象是 类名.class

1.3 死锁

同步锁使用的弊端:当线程任务中出现了多个同步(多个锁)时,如果同步中嵌套了其他的同步。这时容易引发一种现象:程序出现无限等待,这种现象我们称为死锁。这种情况能避免就避免掉。

synchronzied(A锁){
	synchronized(B锁){
         
       }
}

我们进行下死锁情况的代码演示:

  • 定义锁对象类
public class MyLock {
	public static final Object lockA = new Object();
	public static final Object lockB = new Object();
}
  • 线程任务类
public class ThreadTask implements Runnable {
	int x = new Random().nextInt(1);//0,1
	//指定线程要执行的任务代码
	@Override
	public void run() {
		while(true){
			if (x%2 ==0) {
				//情况一
				synchronized (MyLock.lockA) {
					System.out.println("if-LockA");
					synchronized (MyLock.lockB) {
						System.out.println("if-LockB");
						System.out.println("if大口吃肉");
					}
				}
			} else {
				//情况二
				synchronized (MyLock.lockB) {
					System.out.println("else-LockB");
					synchronized (MyLock.lockA) {
						System.out.println("else-LockA");
						System.out.println("else大口吃肉");
					}
				}
			}
			x++;
		}
	}
}
  • 测试类
public class ThreadDemo {
	public static void main(String[] args) {
		//创建线程任务类对象
		ThreadTask task = new ThreadTask();
		//创建两个线程
		Thread t1 = new Thread(task);
		Thread t2 = new Thread(task);
		//启动线程
		t1.start();
		t2.start();
	}
}

1.4 Lock接口

查阅API,查阅Lock接口描述,Lock 实现提供了比使用 synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。

  • Lock接口中的常用方法

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Lock提供了一个更加面对对象的锁,在该锁中提供了更多的操作锁的功能。

我们使用Lock接口,以及其中的lock()方法和unlock()方法替代同步,对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改:

public class Ticket implements Runnable {
	//共100票
	int ticket = 100;
	
	//创建Lock锁对象
	Lock ck = new ReentrantLock();
	
	@Override
	public void run() {
		//模拟卖票
		while(true){
			//synchronized (lock){
			ck.lock();
				if (ticket > 0) {
					//模拟选坐的操作
					try {
						Thread.sleep(10);
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
				}
			ck.unlock();
			//}
		}
	}
}

1.5 等待唤醒机制

在开始讲解等待唤醒机制之前,有必要搞清一个概念——线程之间的通信:多个线程在处理同一个资源,但是处理的动作(线程的任务)却不相同。通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。而这种手段即—— 等待唤醒机制。

等待唤醒机制所涉及到的方法:

  • wait() :等待,将正在执行的线程释放其执行资格 和 执行权,并存储到线程池中。
  • notify():唤醒,唤醒线程池中被wait()的线程,一次唤醒一个,而且是任意的。
  • notifyAll(): 唤醒全部:可以将线程池中的所有wait() 线程都唤醒。

其实,所谓唤醒的意思就是让 线程池中的线程具备执行资格。必须注意的是,这些方法都是在 同步中才有效。同时这些方法在使用时必须标明所属锁,这样才可以明确出这些方法操作的到底是哪个锁上的线程。

仔细查看JavaAPI之后,发现这些方法 并不定义在 Thread中,也没定义在Runnable接口中,却被定义在了Object类中,为什么这些操作线程的方法定义在Object类中?

因为这些方法在使用时,必须要标明所属的锁,而锁又可以是任意对象。能被任意对象调用的方法一定定义在Object类中。

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接下里,我们先从一个简单的示例入手:

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如上图说示,输入线程向Resource中输入name ,sex , 输出线程从资源中输出,先要完成的任务是:

  • 当input发现Resource中没有数据时,开始输入,输入完成后,叫output来输出。如果发现有数据,就wait();
  • 当output发现Resource中没有数据时,就wait() ;当发现有数据时,就输出,然后,叫醒input来输入数据。

 

下面代码,模拟等待唤醒机制的实现:

  • 模拟资源类
public class Resource {
	private String name;
	private String sex;
	private boolean flag = false;

	public synchronized void set(String name, String sex) {
		if (flag)
			try {
				wait();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		// 设置成员变量
		this.name = name;
		this.sex = sex;
		// 设置之后,Resource中有值,将标记该为 true ,
		flag = true;
		// 唤醒output
		this.notify();
	}

	public synchronized void out() {
		if (!flag)
			try {
				wait();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		// 输出线程将数据输出
		System.out.println("姓名: " + name + ",性别: " + sex);
		// 改变标记,以便输入线程输入数据
		flag = false;
		// 唤醒input,进行数据输入
		this.notify();
	}
}
  • 输入线程任务类
public class Input implements Runnable {
	private Resource r;

	public Input(Resource r) {
		this.r = r;
	}

	@Override
	public void run() {
		int count = 0;
		while (true) {
			if (count == 0) {
				r.set("小明", "男生");
			} else {
				r.set("小花", "女生");
			}
			// 在两个数据之间进行切换
			count = (count + 1) % 2;
		}
	}
}
  • 输出线程任务类
public class Output implements Runnable {
	private Resource r;

	public Output(Resource r) {
		this.r = r;
	}

	@Override
	public void run() {
		while (true) {
			r.out();
		}
	}
}
  • 测试类
public class ResourceDemo {
	public static void main(String[] args) {
		// 资源对象
		Resource r = new Resource();
		// 任务对象
		Input in = new Input(r);
		Output out = new Output(r);
		// 线程对象
		Thread t1 = new Thread(in);
		Thread t2 = new Thread(out);
		// 开启线程
		t1.start();
		t2.start();
	}
}

补充内容

同步代码块执行原理图

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为什么打印null

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线程安全问题的产生

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线程死锁的原理

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线程通信

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