Java多线程Part2：线程(Thread)的安全问题和同步机制

柔光的暖阳◎ 2023-07-10 12:54 6阅读 0赞

# 一、线程安全问题 #

## 1、概述 ##

单线程程序不会出现安全问题  
就像电影院只有一个售票窗口 这个窗口售卖所有的票

多线程程序 没有访问共享数据 也不会产生问题  
就像电影院有三个售票窗口 每个窗口售卖三分之一不重复的票

多线程程序 访问共享数据 此时会产生问题  
就像电影院有三个售票窗口 每个窗口售卖所有的票  
★比如说 第一个窗口卖第100号票 第二个窗口也在卖第100号票  
此时出现了**重复的票**  
★比如说 第一个窗口卖第1号票 第二个窗口在卖第0号票 第三个窗口在卖第-1号票  
此时出现了**不存在的票**  
三个窗口卖的票都是一样的 就会出现安全问题  
当多线程**访问了共享的数据** 会产生线程安全问题

## 2、产生原理 ##

我们拿卖票作为例子：

// 多个线程共享的票源
    private int ticket=1;
    
    @Override
    public void run() {
        
        // 使用死循环 让卖票操作重复执行
        while (true)
        {
        
            // 先判断票是否存在
            if (ticket>0)
            {
        
            	// 让线程休眠10毫秒
                try {
        
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
    
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在出售第"+ticket+"张票");
                ticket--;
            }
        }
    }

#### 出现重复的票： ####

假设有3个线程 线程t0 t1 t2同时执行到了打印语句的这句话  
此时 剩余票数都是一致的 因为还没执行到让票数-1的代码  
因而此时会出现**重复的票**

#### 出现不存在的票： ####

假设共有1张票  
假设开启了3个线程 t0 t1 t2  
3个线程一起抢夺CPU的执行权 谁抢到谁执行

当t0抢到CPU的执行权 进入run方法中执行  
睡眠(sleep)后 即放弃了CPU的执行权

然后t2抢到CPU的执行权 进入run方法中执行  
睡眠(sleep)后 放弃了CPU的执行权

最后t1抢到CPU的执行权 进入run方法中执行  
睡眠(sleep)后 放弃了CPU的执行权

t2先睡醒了 抢到了CPU的执行权 继续执行  
进行卖票工作(打印语句) **===> 1**  
票数减1 继续判断 剩余票数不大于0 不执行

t1睡醒了 抢到了CPU的执行权 继续执行  
进行卖票工作 此时票已经为0 打印语句 **===> 0**  
票数减1 此时票已经为-1  
继续判断 剩余票数不大于0 不执行

t0睡醒了 抢到了CPU的执行权 继续执行  
进行卖票工作 此时票已经为-1 打印语句 **===> - 1**  
票数减1 此时票已经为-2  
继续判断 剩余票数不大于0 不执行

如此 导致出现**不存在的票**

线程安全问题是不能产生的  
可以让一个线程再访问共享数据的时候 无论是否失去了CPU的执行权 **让其它的线程只能等待**  
等待当前线程的代码全部执行完业务代码 其它线程再执行  
**确保始终只有一个线程在执行业务代码**

# 二、解决方法：同步技术 #

有三种方式可以解决 分别是：  
1、同步代码块  
2、同步方法  
3、锁(Lock)机制

让我们逐个学习：

## 1、同步代码块 ##

**synchronized** 关键字可以用于方法中的某个区块中 表示只对这个区块的资源实行互斥访问

synchronized(同步锁对象){
        
        需要同步操作的代码
    }

1、代码块中的锁对象可以使用**任意对象**  
2、但必须保证**多个线程使用的锁对象是同一个**  
锁对象的作用：将同步代码块锁住 只让一个线程在同步代码块中执行

public class MyThreadSynchronized implements Runnable{
        
        // 定义一个多个线程共享的票源
        private int ticket=100;
    
        // 创建一个锁对象
        Object object=new Object();
    
        // 线程任务：卖票
        @Override
        public void run() {
        
            // 使用死循环 让卖票操作重复执行
            while (true)
            {
        
                // 同步代码块
                synchronized (object)
                {
        
                    // 先判断票是否存在
                    if (ticket>0)
                    {
        
                    	// 让线程休眠10毫秒
                        try {
        
                            Thread.sleep(10);
                        } catch (InterruptedException e) {
        
                            e.printStackTrace();
                        }
    
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在出售第"+ticket+"张票");
                        ticket--;
                    }
                }
            }
        }
    }

#### 同步技术的原理 ####

使用了一个锁对象 这个锁对象叫作**同步锁** 也叫**对象监视器**  
假若有3个线程 3个线程一起抢夺CPU的执行权 谁抢到了就执行谁的run()方法

当t0线程抢到了CPU的执行权 执行它的run()方法 会遇到synchronized同步代码块  
这时t0会检查synchronized代码块是否有锁对象 然后发现有  
这时 它会获取到这个锁对象 带着它进入 执行里面的方法

然后t1抢到了CPU的执行权 执行它的run()方法 遇到synchronized同步代码块  
这时t1会检查synchronized代码块是否有锁对象 然后震惊地发现竟然没有(2333  
t1就会进入阻塞状态 一直等待t0线程归还对象  
一直到t0线程执行完同步中的代码 随后将锁对象归还给同步代码块  
此时 t1才能获取到锁对象 然后带着这个锁对象进入 执行里面的方法

**总结：同步中的线程没有执行完毕是不会释放锁的 然后同步外的线程没有锁就进不去 只能在外面等**(就像上厕所里面有人了  
同步保证了只能有一个线程在同步中使用共享数据 确保了安全 这是好的方面  
然而 程序频繁判断锁 获取锁 释放锁 程序的效率会有所降低

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## 2、同步方法 ##

使用**synchronized修饰**的方法 就叫做同步方法  
保证了在一个线程执行该方法的时候 其他线程只能在方法外等着

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

#### 普通同步方法 ####

public class MyThreadSynchronized implements Runnable{
        
        // 多个线程共享的票源
        private int ticket=100;
    
        // 定义一个同步方法
        public synchronized void payTicket()
        {
        
            // 先判断票是否存在
            if (ticket>0)
            {
        
                try {
        
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
    
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在出售第"+ticket+"张票");
                ticket--;
            }
        }
    
        // 线程任务：卖票
        @Override
        public void run() {
        
            // 使用死循环 让卖票操作重复执行
            while (true)
            {
        
                payTicket();
            }
        }
    }

除了这种普通的同步方法以外 还有一种静态同步方法 顾名思义 方法是静态的(废话

#### 静态同步方法 ####

public class MyThreadSynchronized implements Runnable{
        
        // 多个线程共享的票源
        private static int ticket=100;
    
        // 定义一个静态同步方法
        public static synchronized void payTicketStatic()
        {
        
            // 先判断票是否存在
            if (ticket>0)
            {
        
                try {
        
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
    
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在出售第"+ticket+"张票");
                ticket--;
            }
        }
    
        // 线程任务：卖票
        @Override
        public void run() {
        
            // 使用死循环 让卖票操作重复执行
            while (true)
            {
        
                payTicketStatic();
            }
        }
    }

我们会发现 在同步方法中 我们没有传进去锁对象  
那么此时 **锁对象是谁？**  
**1**、对于非static方法 同步锁就是**this**  
**2**、对于static方法 不能再是this了 因为this是创建对象之后所产生的 而静态方法优先于对象  
因此使用的是当前方法**所在类的字节码对象**(即 类名.class)

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## 3、锁(Lock)机制 ##

`java.util.concurrent.locks.Lock` 机制提供了比synchronized代码块和synchronized同步方法更为广泛的锁定操作  
同步代码块/同步方法具有的功能Lock都有  
除此之外 Lock锁**更加强大 且更体现面向对象思想**

Lock锁也称同步锁 将加锁与释放锁**方法化**了  
基本方法如下：  
`public void lock()` ：加同步锁  
`public void unlock()` ：释放同步锁

使用须知：  
**1**、`java.util.concurrent.locks.ReentrantLock`类实现了Lock接口  
因此需在成员位置创建一个**ReentrantLock对象**  
**2**、在可能会出现安全问题的代码前调用Lock接口中的**lock()方法**来获取锁  
**3**、在可能会出现安全问题的代码后调用Lock接口中的**unlock()方法**来释放锁

public class MyThreadSynchronized implements Runnable{
        
        // 定义一个多个线程共享的票源
        private int ticket=100;
    
        // 创建一个ReentrantLock锁对象(用到了多态的思想 向上造型)
        Lock lock=new ReentrantLock();
    
        // 线程任务：卖票
        @Override
        public void run() {
        
            // 使用死循环 让卖票操作重复执行
            while (true)
            {
        
                // 获取锁
                lock.lock();
                // 先判断票是否存在
                if (ticket>0)
                {
        
                    try {
        
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
        
                        e.printStackTrace();
                    }
    
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在出售第"+ticket+"张票");
                    ticket--;
                }
                // 释放锁
                lock.unlock();
            }
        }
    }

最后 我们还可以整合一下 让释放锁的行为在finally中完成  
**无论程序是否出现异常 都要释放掉锁对象**

@Override
    public void run() {
        
        // 使用死循环 让卖票操作重复执行
        while (true)
        {
        
            // 获取锁
            lock.lock();
            // 先判断票是否存在
            if (ticket>0)
            {
        
                try {
        
                    Thread.sleep(10);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在出售第"+ticket+"张票");
                    ticket--;
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }finally {
        
                    // 释放锁
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }

笔者个人感觉Lock锁方式是最简单的 调用两个方法就完事了  
当然 ReentrantLock类中还有其它方法 感兴趣的兄弟可以找API来看看

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