同步锁-线程安全问题解决方案

深碍√TFBOYSˉ_ 2021-09-07 06:19 402阅读 0赞

# 1 同步锁 #

## 1.1 前言 ##

经过前面多线程编程的学习,我们遇到了线程安全的相关问题,比如多线程售票情景下的超卖/重卖现象.  
[上节笔记点这里-进程与线程笔记][-]

我们如何判断程序有没有可能出现线程安全问题,主要有以下三个条件:

#### `在多线程程序中 + 有共享数据 + 多条语句操作共享数据` ####

多线程的场景和共享数据的条件是改变不了的(就像4个窗口一起卖100张票,这个是业务)  
所以思路可以从第3点"多条语句操作共享数据"入手,既然是在这多条语句操作数据过程中出现了问题  
那我们可以把有可能出现问题的代码都包裹起来，一次只让一个线程来执行

## 1.2 同步与异步 ##

那怎么"把有可能出现问题的代码都包裹起来"呢?我们可以使用synchronized关键字来实现同步效果  
也就是说,当多个对象操作共享数据时,可以使用同步锁解决线程安全问题,被锁住的代码就是同步的

接下来介绍下同步与异步的概念:  
同步：体现了排队的效果，同一时刻只能有一个线程独占资源，其他没有权利的线程排队。  
坏处就是效率会降低，不过保证了安全。  
异步：体现了多线程抢占资源的效果，线程间互相不等待，互相抢占资源。  
坏处就是有安全隐患,效率要高一些。

## 1.3 synchronized同步关键字 ##

### 1.3.1 写法 ###

> synchronized (锁对象)\{  
> 需要同步的代码(也就是可能出现问题的操作共享数据的多条语句);  
> \}

### 1.3.2 前提 ###

同步效果的使用有两个前提:

*  前提1：同步需要两个或者两个以上的线程(单线程无需考虑多线程安全问题)
 *  前提2：多个线程间必须使用同一个锁(我上锁后其他人也能看到这个锁,不然我的锁锁不住其他人,就没有了上锁的效果)

### 1.3.3 特点 ###

1.  synchronized同步关键字可以用来修饰代码块,称为**同步代码块**,使用的锁对象类型任意，但注意：必须唯一！
2.  synchronized同步关键字可以用来修饰方法,称为**同步方法**
3.  同步的缺点是会降低程序的执行效率，但我们为了保证线程的安全,有些性能是必须要牺牲的
4.  但是为了性能,加锁的范围需要控制好,比如我们不需要给整个商场加锁,试衣间加锁就可以了

> 为什么同步代码块的锁对象可以是任意的同一个对象,但是同步方法使用的是this呢?  
> 因为同步代码块可以保证同一个时刻只有一个线程进入  
> 但同步方法不可以保证同一时刻只能有一个线程调用,所以使用本类代指对象this来确保同步

![同步与异步][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mzg4NDIzNA_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 1.4.1练习-改造售票案例 ##

*创建包: cn.tedu.tickets  
创建类:TestRunnableV2.java*

package cn.tedu.tickets;
    
    /*本类用于改造多线程售票案例，解决数据安全问题*/
    public class TestRunnableV2 { 
        public static void main(String[] args) { 
            //5.创建目标业务类对象
            TicketR2 target = new TicketR2();
            //6.创建线程对象
            Thread t1 = new Thread(target);
            Thread t2 = new Thread(target);
            Thread t3 = new Thread(target);
            Thread t4 = new Thread(target);
            //7.以多线程的方式运行
            t1.start();
            t2.start();
            t3.start();
            t4.start();
        }
    }
    
    /*1.多线程中出现数据安全问题的原因：多线程程序+共享数据+多条语句操作共享数据*/
    /*2.同步锁：相当于给容易出现问题的代码加了一把锁，包裹了所有可能会出现数据安全问题的代码 * 加锁之后，就有了同步(排队)的效果，但是加锁的话，需要考虑： * 锁的范围：不能太大，太大，干啥都得排队，也不能太小，太小，锁不住，还是会有安全隐患*/
    //1.创建自定义多线程类
    class TicketR2 implements Runnable { 
        //3.定义成员变量，保存票数
        int tickets = 100;
        //创建锁对象
        Object o = new Object();
    
        //2.实现接口中未实现的方法，run()中放着的是我们的业务
        @Override
        public void run() { 
            //4.通过循环结构完成业务
            while (true) { 
                /*3.同步代码块：synchronized(锁对象){会出现安全隐患的所有代码} * 同步代码块在同一时刻，同一资源只会被一个线程独享*/
                /*这种写法不对，相当于每个线程进来的时候都会new一个锁对象，线程间使用的并不是同一把锁*/
                //synchronized (new Object()){ 
                //修改同步代码块的锁对象为成员变量o,因为锁对象必须唯一
                synchronized (o) { //同步代码块解决的是重卖的问题
                    //如果票数>0就卖票
                    if (tickets > 0) { 
                        try { 
                            Thread.sleep(10);
                        } catch (InterruptedException e) { 
                            e.printStackTrace();
                        }
                        //4.1打印当前正在售票的线程名以及票数-1
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=" + tickets--);
                    }
                    //4.2退出死循环--没票的时候就结束
                    if (tickets <= 0) break;
                }
            }
        }
    }

## 1.4.2 练习-改造售票案例 ##

*创建包: cn.tedu.tickets  
创建类:TestThreadV2.java*

package cn.tedu.tickets;
    
    /*本类用于改造多线程售票案例，解决数据安全问题*/
    public class TestThreadV2 { 
        public static void main(String[] args) { 
            //5.创建多个线程对象并以多线程的方式运行
            TickectT2 t1 = new TickectT2();
            TickectT2 t2 = new TickectT2();
            TickectT2 t3 = new TickectT2();
            TickectT2 t4 = new TickectT2();
            t1.start();
            t2.start();
            t3.start();
            t4.start();
        }
    }
    
    //1.自定义多线程类
    class TickectT2 extends Thread { 
        //3.新增成员变量用来保存票数
        static int tickets = 100;
        //static Object o = new Object();
    
        //2.添加重写的run()来完成业务
        @Override
        public void run() { 
            //3.创建循环结构用来卖票
            while (true) { 
                //Ctrl+Alt+L调整代码缩进
                //7.添加同步代码块，解决数据安全问题
                //synchronized (new Object()) { 
                /*static的Object的对象o这种写法也可以*/
                //synchronized (o) { 
                /*我们每通过class关键字创建一个类，就会在工作空间中生成一个唯一对应的类名.class字节码文件 * 这个类名.class对应的对象我们称之为这个类的字节码对象 * 字节码对象极其重要，是反射技术的基石，字节码对象中包含了当前类所有的关键信息 * 所以，用这样一个唯一且明确的对象作为同步代码块的锁对象，再合适不过了*/
                synchronized (TickectT2.class) { /*比较标准的写法*/
                    if(tickets > 0){ 
                        //6.添加线程休眠，暴露问题
                        try { 
                            Thread.sleep(10);//让线程休眠，增加线程状态切换的频率
                        } catch (InterruptedException e) { 
                            e.printStackTrace();
                        }
                        //4.1打印当前正在售票的线程名与票数-1
                        System.out.println(getName() + "=" + tickets--);
                    }
                    //4.2给程序设置一个出口，没有票的时候就停止卖票
                    if (tickets <= 0) break;
                }
            }
        }
    }

`注意:如果是继承的方式的话,锁对象最好用"类名.class",否则创建自定义线程类多个对象时,无法保证锁的唯一`

## 1.5 之前遇到过的同步例子 ##

StringBuffer JDK1.0  
加了synchronized ,性能相对较低(要排队,同步),安全性高  
StringBuilder JDK1.5  
去掉了synchronized,性能更高(不排队,异步),存在安全隐患  
![其他同步异步的例子][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mzg4NDIzNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

> 快速查找某个类的快捷键:Ctrl+Shift+T

# 2 线程创建的其他方式 #

## 2.1 ExecutorService/Executors ##

ExecutorService:用来存储线程的池子,把新建线程/启动线程/关闭线程的任务都交给池来管理

>  *  execute(Runnable任务对象) 把任务丢到线程池

Executors 辅助创建线程池的工具类

>  *  newFixedThreadPool(int nThreads) 最多n个线程的线程池
>  *  newCachedThreadPool() 足够多的线程,使任务不必等待
>  *  newSingleThreadExecutor() 只有一个线程的线程池

## 2.2 练习:线程的其他创建方式 ##

*创建包: cn.tedu.tickets  
创建类: TestThreadPool.java*

package cn.tedu.tickets;
    
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    
    /*本类用于测试线程池*/
    public class TestThreadPool { 
        public static void main(String[] args) { 
            //5.创建接口实现类TicketR3类的对象作为目标业务对象
            TicketR3 target = new TicketR3();
            /*Executors是用来辅助创建线程池的工具类对象 * 常用方法是newFixedThreadPool(int)这个方法可以创建指定数目的线程池对象 * 创建出来的线程池对象是ExecutorService:用来存储线程的池子，负责：新建/启动/关闭线程*/
            //6.使用Executors工具创建一个最多有5个线程的线程池对象ExecutorService池对象
            ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);
            for (int i = 0; i < 5; i++) { 
                /*execute()让线程池中的线程来执行业务，每次调用都会将一个线程加入到就绪队列*/
                pool.execute(target);/*本方法的参数就是你要执行的业务，也就是目标业务类对象*/
            }
        }
    }
    //同步锁问题解决方案笔记：1.4.1从26行复制到58行，TicketR2改成TicketR3
    //1.创建自定义多线程类
    class TicketR3 implements Runnable { 
        //3.定义成员变量，保存票数
        int tickets = 100;
        //创建锁对象
        Object o = new Object();
    
        //2.实现接口中未实现的方法，run()中放着的是我们的业务
        @Override
        public void run() { 
            //4.通过循环结构完成业务
            while (true) { 
                /*3.同步代码块：synchronized(锁对象){会出现安全隐患的所有代码} * 同步代码块在同一时刻，同一资源只会被一个线程独享*/
                /*这种写法不对，相当于每个线程进来的时候都会new一个锁对象，线程间使用的并不是同一把锁*/
                //synchronized (new Object()){ 
                //修改同步代码块的锁对象为成员变量o,因为锁对象必须唯一
                synchronized (o) { //同步代码块解决的是重卖的问题
                    //如果票数>0就卖票
                    if (tickets > 0) { 
                        try { 
                            Thread.sleep(10);
                        } catch (InterruptedException e) { 
                            e.printStackTrace();
                        }
                        //4.1打印当前正在售票的线程名以及票数-1
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=" + tickets--);
                    }
                    //4.2退出死循环--没票的时候就结束
                    if (tickets <= 0) break;
                }
            }
        }
    }

# 3 拓展:线程锁 #

## 3.1 悲观锁和乐观锁 ##

**悲观锁**：像它的名字一样，对于并发间操作产生的线程安全问题持悲观状态.  
悲观锁认为竞争总是会发生，因此每次对某资源进行操作时，都会持有一个独占的锁,就像synchronized,不管三七二十一，直接上了锁就操作资源了。

**乐观锁**：还是像它的名字一样，对于并发间操作产生的线程安全问题持乐观状态.  
乐观锁认为竞争不总是会发生，因此它不需要持有锁，将”比较-替换”这两个动作作为一个原子操作尝试去修改内存中的变量，如果失败则表示发生冲突，那么就应该有相应的重试逻辑。

## 3.2 两种常见的锁 ##

##### synchronized 互斥锁（悲观锁，有罪假设） #####

采用synchronized修饰符实现的同步机制叫做互斥锁机制，它所获得的锁叫做互斥锁。  
每个对象都有一个monitor(锁标记)，当线程拥有这个锁标记时才能访问这个资源，没有锁标记便进入锁池。任何一个对象系统都会为其创建一个互斥锁，这个锁是为了分配给线程的，防止打断原子操作。每个对象的锁只能分配给一个线程，因此叫做互斥锁。

##### ReentrantLock 排他锁（悲观锁，有罪假设） #####

ReentrantLock是排他锁，排他锁在同一时刻仅有一个线程可以进行访问，实际上独占锁是一种相对比较保守的锁策略，在这种情况下任何“读/读”、“读/写”、“写/写”操作都不能同时发生，这在一定程度上降低了吞吐量。然而读操作之间不存在数据竞争问题，如果”读/读”操作能够以共享锁的方式进行，那会进一步提升性能。

##### ReentrantReadWriteLock 读写锁（乐观锁，无罪假设） #####

因此引入了ReentrantReadWriteLock，顾名思义，ReentrantReadWriteLock是Reentrant（可重入）Read（读）Write（写）Lock（锁），我们下面称它为读写锁。  
读写锁内部又分为读锁和写锁，读锁可以在没有写锁的时候被多个线程同时持有，写锁是独占的。  
读锁和写锁分离从而提升程序性能，读写锁主要应用于读多写少的场景。

## 3.3 尝试用读写锁改造售票案例 ##

package cn.tedu.thread;
    
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
    
    /** * 本类用于改造售票案例,使用可重入读写锁 * ReentrantReadWriteLock * */
    public class TestSaleTicketsV3 { 
    	public static void main(String[] args) { 
    		SaleTicketsV3 target = new SaleTicketsV3();
    		Thread t1 = new Thread(target);
    		Thread t2 = new Thread(target);
    		Thread t3 = new Thread(target);
    		Thread t4 = new Thread(target);
    		t1.start();
    		t2.start();
    		t3.start();
    		t4.start();
    	}
    }
    class SaleTicketsV3 implements Runnable{ 
    	static int tickets = 100;
    	//1.定义可重入读写锁对象,静态保证全局唯一
    	static ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(true);
    	@Override
    	public void run() { 
    		while(true) { 
    			//2.在操作共享资源前上锁
    			lock.writeLock().lock();
    			try { 
    				if(tickets > 0) { 
    					try { 
    						Thread.sleep(10);
    					} catch (InterruptedException e) { 
    						e.printStackTrace();
    					}
    					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=" + tickets--);
    				}
    				if(tickets <= 0) break;
    			} catch (Exception e) { 
    				e.printStackTrace();
    			}finally { 
    				//3.finally{}中释放锁,注意一定要手动释放,防止死锁,否则就独占报错了
    				lock.writeLock().unlock();
    			}
    		}
    	}
    }

## 3.4 两种方式的区别 ##

需要注意的是，用sychronized修饰的方法或者语句块在代码执行完之后锁会自动释放，而是用Lock需要我们手动释放锁，所以为了保证锁最终被释放(发生异常情况)，要把互斥区放在try内，释放锁放在finally内！  
与互斥锁相比，读-写锁允许对共享数据进行更高级别的并发访问。虽然一次只有一个线程（writer 线程）可以修改共享数据，但在许多情况下，任何数量的线程可以同时读取共享数据（reader 线程）从理论上讲，与互斥锁定相比，使用读-写锁允许的并发性增强将带来更大的性能提高。

恭喜你,线程与线程锁的学习可以暂时告一段落啦,接着我们可以继续学习别的内容

[下一节 设计模式 点这里][Link 1]

[-]: https://blog.csdn.net/weixin_43884234/article/details/114954221
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mzg4NDIzNA_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20210827/1dece35b1c2245adabf1e0a3f8b4f6e4.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mzg4NDIzNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20210827/3104ccc68bc74b8898b2cbc674e2fb71.png
[Link 1]: https://blog.csdn.net/weixin_43884234/article/details/115055253