Java基础系列（二十二）线程安全、线程同步、等待唤醒机制

清疚 2021-09-26 21:14 312阅读 0赞

# 一、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。

## 1.1、线程安全演示 ##

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 “火影忍者”，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 “火影忍者”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；票使用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, "买票窗口1");
            Thread t2  = new Thread(ticket, "买票窗口2");
            Thread t3  = new Thread(ticket, "买票窗口3");
    
            t1.start();
            t2.start();
            t3.start();
        }
    }

模拟票：

public class Ticket implements Runnable { 
        //共100票
        int ticketCount = 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:" + ticketCount--);
                }
            }
        }
    }

运行结果发现出现问题票数为-1：  
买票窗口1正在卖票:100  
买票窗口2正在卖票:99  
买票窗口3正在卖票:98  
买票窗口1正在卖票:97  
……  
买票窗口3正在卖票:6  
买票窗口1正在卖票:5  
买票窗口3正在卖票:4  
买票窗口1正在卖票:2  
买票窗口2正在卖票:3  
买票窗口1正在卖票:1  
买票窗口3正在卖票:0  
买票窗口2正在卖票:-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。  
我们从内存角度来分析一下：  
![这里写图片描述][70]  
票只剩下一张的时候：  
![这里写图片描述][70 1]  
解决办法：当一个线程进行数据操作的时候，无论是否休眠，其他线程都只能等待。

# 二、线程同步（线程安全处理Synchronized） #

java中提供了线程同步技术，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

## 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，这个锁对象也叫监视器。没有锁的线程不能执行。  
现在我们使用同步代码块，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：

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--);
                    }
                }
            }
        }
    }

运行结果正常：  
买票窗口1正在卖票:100  
买票窗口1正在卖票:99  
买票窗口1正在卖票:98  
……  
买票窗口2正在卖票:3  
买票窗口2正在卖票:2  
买票窗口2正在卖票:1  
当线程遇到同步代码块时，判断对象锁还有没有，如果有，获取锁，进入同步代码块执行。没有锁的线程不能进入同步代码块执行，被挡在同步代码块外面；如果此时在同步代码块中的线程休眠了，那么另外一个线程会执行，当它遇到同步代码块时，因为没有锁对象，所以不能进入同步代码块。

## 2.2、同步方法 ##

采用同步方法，解决线程的安全问题，好处是：代码比较简洁 同步方法：在方法声明上加上synchronized 同步方法中的锁对象是 this

public synchronized void method(){ 可能会产生线程安全问题的代码 }

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--);
            }
        }
    }

## 2.3、静态同步方法 ##

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

# 四、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：

void lock();      //获取锁
    void unlock();    //释放锁

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();
                //}
            }
        }
    }

# 五、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。关于死锁部分呢？可以参考下这篇博客：[死锁详细介绍][Link 1]

# 六、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。  
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。  
通过一个示例来演示下等待唤醒机制：  
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：  
（1）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();  
（2）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。  
Resource类：

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：

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：

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();
        }
    }

运行结果：  
姓名: 小花，性别: 女生  
姓名: 小明，性别: 男生  
姓名: 小花，性别: 女生  
姓名: 小明，性别: 男生  
姓名: 小花，性别: 女生  
姓名: 小明，性别: 男生  
姓名: 小花，性别: 女生  
姓名: 小明，性别: 男生  
……  
补充：考虑了下，觉得还是画个图可能好理解一些，将画的图贴出来：  
![这里写图片描述][70 2]

[70]: /images/20210923/6bddc657f83348e9aeb7795396759b88.png
[70 1]: /images/20210923/7034d3c6ae894044901da1c5a26d3f32.png
[Link 1]: https://blog.csdn.net/weixin_41835916/article/details/80615692
[70 2]: /images/20210923/660cc5bfbab84dc0bb20873abe620ab7.png