Java 多线程基础【线程安全】

心已赠人 2022-05-17 09:15 262阅读 0赞

线程安全问题在理想状态下，不容易出现问题，但一旦出现对软件的影响是非常大的。

**可能导致线程安全出问题的原因：**  
1：是否是多线程环境  
2：是否有共享数据  
3：是否有多条语句操作共享数据

**下面是我遇到的问题：**

假设有100张票需要卖出，同时我有两个窗口。那么同一张票肯定不能重复卖出，两个窗口也是同时开始卖票的，这几需要多线程来解决。下面是代码：

package threads;
    
    public class Demo {
        public static void main(String[] args) {
    
            PrimeThread p = new PrimeThread();
    
            Thread my = new Thread(p, "窗口1");
            Thread m = new Thread(p, "窗口2");
            my.start();
            m.start();
        }
    }

package threads;
    
    public class PrimeThread implements Runnable{ 
        private int ans = 100;//共享数据
        @Override
        public void run() {
    
            while(ans > 0) {
                try {
                    Thread.sleep(100);//这里延迟100毫秒，突出以下问题
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+(ans--));//多条语句操作共享数据
            }
    
        }
    
    }

按以上代码的输出结果应该是100到1，但是其结果却是：

窗口2:100
    窗口1:100
    窗口1:99
    窗口2:98
    窗口1:97
    窗口2:96
    窗口1:95
    窗口2:94
    窗口1:93
    窗口2:92
    窗口2:91
    窗口1:90
    窗口1:89
    窗口2:88
    窗口1:87
    窗口2:86
    窗口1:85
    窗口2:84
    窗口1:83
    窗口2:82
    窗口1:81
    窗口2:81
    窗口1:80
    窗口2:79
    窗口2:78
    窗口1:78
    窗口1:77
    窗口2:76
    窗口2:75
    窗口1:74
    窗口1:73
    窗口2:72
    窗口2:71
    窗口1:71
    窗口2:70
    窗口1:70
    窗口1:69
    窗口2:68
    窗口2:66
    窗口1:67
    窗口1:65
    窗口2:64
    窗口1:63
    窗口2:62
    窗口1:61
    窗口2:60
    窗口1:59
    窗口2:58
    窗口1:57
    窗口2:56
    窗口2:55
    窗口1:55
    窗口1:54
    窗口2:53
    窗口1:52
    窗口2:51
    窗口1:50
    窗口2:49
    窗口1:48
    窗口2:48
    窗口1:46
    窗口2:47
    窗口1:45
    窗口2:44
    窗口2:42
    窗口1:43
    窗口2:40
    窗口1:41
    窗口2:39
    窗口1:38
    窗口2:37
    窗口1:36
    窗口2:35
    窗口1:34
    窗口2:33
    窗口1:32
    窗口2:31
    窗口1:30
    窗口2:29
    窗口1:28
    窗口2:27
    窗口1:26
    窗口2:25
    窗口1:24
    窗口2:23
    窗口1:22
    窗口2:21
    窗口1:20
    窗口2:19
    窗口1:18
    窗口2:17
    窗口1:16
    窗口2:15
    窗口1:14
    窗口2:13
    窗口1:12
    窗口2:11
    窗口1:10
    窗口2:9
    窗口1:8
    窗口2:7
    窗口1:6
    窗口2:5
    窗口1:4
    窗口2:3
    窗口1:2
    窗口2:1
    窗口1:0

同一张票被卖了多次，这与我们预期中每张票只输出一次完全不一样。而且虽然我们限定了ans值大于0，但是还有可能出现0，当线程再多的话还可能出现负值。

这就是线程安全出了问题，以为它符合了我们前边说的导致线程安全出问题的全部三种原因，而其中一种就有可能导致线程安全出现问题。

**出现重复值的问题：**  
导致上述问题中同一张票出现多次与CPU的一次操作必须是原子性的特点有关。  
在我们刚才的代码中有这样一个语句。

> System.out.println(Thread.currentThread().getName()+”:”+(ans–));

这个语句其实是先把ans当前的值输出，然后再执行ans = ans-1。  
先假设窗口1这个线程先到达这一句并且操作系统正在执行输出操作，但还没有执行减一操作，这时窗口2这个线程也到达该语句，因为线程具有随机性，所以CPU先执行了两次输出操作，所以就出现了重复值的问题。

**出现0和负值的问题：**  
假设此时ans = 1，窗口1线程进入循环，因为CPU的原子性，后边的语句还没有被执行，但就在这时，窗口2的线程因为ans的值还没有变为0，所以也紧随其后进入了循环，而执行后边的语句是正好是两个线程分先后顺序地执行完了

> System.out.println(Thread.currentThread().getName()+”:”+(ans–));

语句，所以就出现了0和负值的情况。

那么既然出现了问题就要解决问题，而之前我们也知道了导致线程不安全的三种原因  
1：是否是多线程环境  
2：是否有共享数据  
3：是否有多条语句操作共享数据

但是第一条和第二条又是必须的，那么就只能从第三条上解决。而解决第三条就需要当一个线程在调用操作共享数据的语句时，其他线程就不能调用。这就需要线程同步。

可以利用Java中的synchronize关键字建一个同步代码块将操作语句锁起来

package threads;
    
    public class PrimeThread implements Runnable{ 
        private int ans = 100;
        private Object obj = new Object();
        @Override
        public void run() {
    
            while(ans > 0) {
                synchronized(obj) {
       //将操作共享数据的代码锁起来
                    try {
                        Thread.sleep(100);//这里延迟100毫秒，突出一下问题
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+(ans--));
                }
    
            }
    
        }
    
    }

这样就解决了线程不同步的问题。

**同步的特点：**

*  **前提：**是需要多个线程，在解决问题时需要注意，多个线程使用的是同一个锁对象。
 *  **好处：**同步的出现解决了多线程的安全问题
 *  **弊端：**当线程相当多时，因为每个线程都会去判断同步上的锁，只是很耗费资源的，无形中会降低程序的运行效率。

上边说了同步代码块，格式为：synchronize(对象) \{\}  
同步带么快的所对象是任意对象，所以这里的对象就可以是任意的；

同步方法的锁对象是 this  
静态方法的锁对象是 类的字节码文件对象

下面进行一个对比：  
**同步方法：**

package threads;
    
    import java.lang.reflect.Method;
    
    public class PrimeThread implements Runnable{ 
        private int ans = 100;
        int x = 0;
        private Object obj = new Object();
        @Override
        public void run() {
    
            while(ans > 0) {
    
                if(x%2 == 0) {
                    synchronized (this) {
       //对象
                        try {
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            // TODO Auto-generated catch block
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+(ans--));
                    }
                }else {
                    md();
                }
    
    
            }
        }
    
        private synchronized void md() {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+(ans--));
        }
    
    }

**静态同步方法：**

package threads;
    
    import java.lang.reflect.Method;
    
    public class PrimeThread implements Runnable{ 
        private static int ans = 100;
        int x = 0;
        private Object obj = new Object();
        @Override
        public void run() {
    
            while(ans > 0) {
    
                if(x%2 == 0) {
                    synchronized (PrimeThread.class) {
       //对象
                        try {
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            // TODO Auto-generated catch block
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+(ans--));
                    }
                }else {
                    md();
                }
    
    
            }
        }
    
        private static synchronized void md() {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+(ans--));
        }
    
    }

因为静态方法是随着类的建立而建立的，所以对象要是类才行。

刚才的三种同步方法最后都会输出一个0，这是因为ans的判断没有放在同步中，如果你细心的话就会发现  
![这里写图片描述][70]  
输出0和1的窗口永远是不一样的，这种现象在解释为什么会出现0和负数时已经解释过了，只需再同步代码中加一个判断就可以解决。

[70]: /images/20220517/29b01ed7a22e4ea784d14bd7e00f818d.png