Java 多线程同步的五种方法

技术博客 (142) 2023-09-16 16:18:01

一、引言

前几天面试,被大师虐残了,好多基础知识必须得重新拿起来啊。闲话不多说,进入正题。

二、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,如果一个银行账户同时被两个线程操作,一个取100块,一个存钱100块。假设账户原本有0块,如果取钱线程和存钱线程同时发生,会出现什么结果 呢?取钱不成功,账户余额是100.取钱成功了,账户余额是0.那到底是哪个呢?很难说清楚。因此多线程同步就是要解决这个问题。

三、不同步时的代码


  1. Bank.java 
  2. package threadTest;  
  3. /** 
  4. * @author ww 
  5. */  
  6. public class Bank {  
  7.     private int count =0;//账户余额  
  8.     //存钱  
  9.     public  void addMoney(int money){  
  10.         count +=money;  
  11.         System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进:"+money);  
  12.     }  
  13.     //取钱  
  14.     public  void subMoney(int money){  
  15.         if(count-money < 0){  
  16.             System.out.println("余额不足");  
  17.             return;  
  18.         }  
  19.         count -=money;  
  20.         System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出:"+money);  
  21.     }  
  22.     //查询  
  23.     public void lookMoney(){  
  24.         System.out.println("账户余额:"+count);  
  25.     }  
  26. SyncThreadTest.java 
  27. package threadTest;  
  28. public class SyncThreadTest {  
  29.     public static void main(String args[]){  
  30.         final Bank bank=new Bank();  
  31.         Thread tadd=new Thread(new Runnable() {  
  32.             @Override  
  33.             public void run() {  
  34.                 // TODO Auto-generated method stub  
  35.                 while(true){  
  36.                     try {  
  37.                         Thread.sleep(1000);  
  38.                     } catch (InterruptedException e) {  
  39.                         // TODO Auto-generated catch block  
  40.                         e.printStackTrace();  
  41.                     }  
  42.                     bank.addMoney(100);  
  43.                     bank.lookMoney();  
  44.                     System.out.println("\n");  
  45.                 }  
  46.             }  
  47.         });  
  48.         Thread tsub = new Thread(new Runnable() {  
  49.             @Override  
  50.             public void run() {  
  51.                 // TODO Auto-generated method stub  
  52.                 while(true){  
  53.                     bank.subMoney(100);  
  54.                     bank.lookMoney();  
  55.                     System.out.println("\n");  
  56.                     try {  
  57.                         Thread.sleep(1000);  
  58.                     } catch (InterruptedException e) {  
  59.                         // TODO Auto-generated catch block  
  60.                         e.printStackTrace();  
  61.                     }     
  62.                 }  
  63.             }  
  64.         });  
  65.         tsub.start();  
  66.         tadd.start();  
  67.     }  

代码很简单,我就不解释了,看看运行结果怎样呢?截取了其中的一部分,是不是很乱,有写看不懂。

余额不足  
账户余额:0

余额不足  
账户余额:100

1441790503354存进:100  
账户余额:100

1441790504354存进:100  
账户余额:100

1441790504354取出:100  
账户余额:100

1441790505355存进:100  
账户余额:100

1441790505355取出:100  
账户余额:100

四、使用同步时的代码

(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。

修改后的Bank.java

再看看运行结果:

余额不足  
账户余额:0

余额不足  
账户余额:0

1441790837380存进:100  
账户余额:100

1441790838380取出:100  
账户余额:0  
1441790838380存进:100  
账户余额:100

1441790839381取出:100  
账户余额:0

瞬间感觉可以理解了吧。

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

Bank.java代码如下:


  1. package threadTest;  
  2. /** 
  3. * @author ww 
  4. */  
  5. public class Bank {  
  6.     private int count =0;//账户余额  
  7.     //存钱  
  8.     public   void addMoney(int money){  
  9.         synchronized (this) {  
  10.             count +=money;  
  11.         }  
  12.         System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进:"+money);  
  13.     }  
  14.     //取钱  
  15.     public   void subMoney(int money){  
  16.         synchronized (this) {  
  17.             if(count-money < 0){  
  18.                 System.out.println("余额不足");  
  19.                 return;  
  20.             }  
  21.             count -=money;  
  22.         }  
  23.         System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出:"+money);  
  24.     }  
  25.     //查询  
  26.     public void lookMoney(){  
  27.         System.out.println("账户余额:"+count);  
  28.     }  

运行结果如下:

余额不足  
账户余额:0

1441791806699存进:100  
账户余额:100

1441791806700取出:100  
账户余额:0

1441791807699存进:100  
账户余额:100

效果和方法一差不多。

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)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

Bank.java代码如下:


  1. package threadTest;  
  2. /** 
  3. * @author ww 
  4. */  
  5. public class Bank {  
  6.     private volatile int count = 0;// 账户余额  
  7.     // 存钱  
  8.     public void addMoney(int money) {  
  9.         count += money;  
  10.         System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进:" + money);  
  11.     }  
  12.     // 取钱  
  13.     public void subMoney(int money) {  
  14.         if (count - money < 0) {  
  15.             System.out.println("余额不足");  
  16.             return;  
  17.         }  
  18.         count -= money;  
  19.         System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出:" + money);  
  20.     }  
  21.     // 查询  
  22.     public void lookMoney() {  
  23.         System.out.println("账户余额:" + count);  
  24.     }  

运行效果怎样呢?

余额不足  
账户余额:0

余额不足  
账户余额:100

1441792010959存进:100  
账户余额:100

1441792011960取出:100  
账户余额:0

1441792011961存进:100  
账户余额:100

是不是又看不懂了,又乱了。这是为什么呢?就是因为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
Bank.java代码修改如下:


  1. package threadTest;  
  2. import java.util.concurrent.locks.Lock;  
  3. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;  
  4. /** 
  5. * @author ww 
  6. */  
  7. public class Bank {  
  8.     private  int count = 0;// 账户余额  
  9.     //需要声明这个锁  
  10.     private Lock lock = new ReentrantLock();  
  11.     // 存钱  
  12.     public void addMoney(int money) {  
  13.         lock.lock();//上锁  
  14.         try{  
  15.         count += money;  
  16.         System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进:" + money);  
  17.         }finally{  
  18.             lock.unlock();//解锁  
  19.         }  
  20.     }  
  21.     // 取钱  
  22.     public void subMoney(int money) {  
  23.         lock.lock();  
  24.         try{  
  25.         if (count - money < 0) {  
  26.             System.out.println("余额不足");  
  27.             return;  
  28.         }  
  29.         count -= money;  
  30.         System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出:" + money);  
  31.         }finally{  
  32.             lock.unlock();  
  33.         }  
  34.     }  
  35.     // 查询  
  36.     public void lookMoney() {  
  37.         System.out.println("账户余额:" + count);  
  38.     }  

运行效果怎么样呢?

余额不足  
账户余额:0

余额不足  
账户余额:0

1441792891934存进:100  
账户余额:100

1441792892935存进:100  
账户余额:200

1441792892954取出:100  
账户余额:100

效果和前两种方法差不多。

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,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

Bank.java代码如下:


  1. package threadTest;  
  2. /** 
  3. * @author ww 
  4. */  
  5. public class Bank {  
  6.     private static ThreadLocal<Integer> count = new ThreadLocal<Integer>(){  
  7.         @Override  
  8.         protected Integer initialValue() {  
  9.             // TODO Auto-generated method stub  
  10.             return 0;  
  11.         }  
  12.     };  
  13.     // 存钱  
  14.     public void addMoney(int money) {  
  15.         count.set(count.get()+money);  
  16.         System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进:" + money);  
  17.     }  
  18.     // 取钱  
  19.     public void subMoney(int money) {  
  20.         if (count.get() - money < 0) {  
  21.             System.out.println("余额不足");  
  22.             return;  
  23.         }  
  24.         count.set(count.get()- money);  
  25.         System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出:" + money);  
  26.     }  
  27.     // 查询  
  28.     public void lookMoney() {  
  29.         System.out.println("账户余额:" + count.get());  
  30.     }  

运行效果:

余额不足  
账户余额:0

余额不足  
账户余额:0

1441794247939存进:100  
账户余额:100

余额不足  
1441794248940存进:100  
账户余额:0

账户余额:200

余额不足  
账户余额:0

1441794249941存进:100  
账户余额:300

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

THE END

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