多线程线程安全与synchronized关键字

客官°小女子只卖身不卖艺 2023-07-18 05:57 17阅读 0赞

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# 线程安全问题 #

对于上次的小实例，是强调过不考虑**线程安全**问题的。

如果我们通过调用线程类的sleep()方法，模拟CUP突然暂停对程序A的执行转而执行线程B。这在实际中是有可能发生的。

class Shopping implements Runnable {
        
    
    	private int num = 10;
    
    	public void run() {
        
    		while (true) {
        
    			if (num > 0) {
        
    				try {
        
    					//模拟CUP暂停对某线程的执行转而执行另一线程
    					Thread.sleep(10);
    				} catch (InterruptedException e) {
        
    					e.printStackTrace();
    				}
    				System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
    				+ "抢血拼到了第" + num-- + "双鞋");
    			} else
    				break;
    		}
    	}
    }
    
    public class Test {
        
    	public static void main(String[] args) {
        
    		Shopping shopping = new Shopping();
    
    		Thread t1 = new Thread(shopping, "线程1");
    		Thread t2 = new Thread(shopping, "线程2");
    
    		t1.start();
    		t2.start();
    	}
    }

多运行几次，有时候会出现这样的打印结果：

线程1抢血拼到了第10双鞋
    线程2抢血拼到了第9双鞋
    线程2抢血拼到了第8双鞋
    线程1抢血拼到了第7双鞋
    线程2抢血拼到了第6双鞋
    线程1抢血拼到了第5双鞋
    线程1抢血拼到了第4双鞋
    线程2抢血拼到了第3双鞋
    线程1抢血拼到了第2双鞋
    线程2抢血拼到了第1双鞋
    线程2抢血拼到了第0双鞋

很明显，这里就出现了线程安全问题，因为是没有第0双鞋的。

出现问题的原因，可能是这样。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2RhYnVzaUdpbg_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
线程1首先获得资源，此时num等于1大于0，进入if语句，线程1暂停执行转而执行线程2去了。得到num还是等于1，大于0，进入if语句，同样，此时线程2被暂停转而执行线程1去了。

紧接着线程1一鼓作气，执行了num–，num变成了0，线程1结束。但是可怕的地方来了，线程2从睡眠中醒来，继续执行下面的语句就是num–，问题是此时num等于0啊，那么就产生了这样的结果“线程2抢血拼到了第0双鞋”。

其中num是两个线程的**共享数据**。想详细了解，参见这篇博文：线程共享数据与线程私有数据。

# synchronize关键字 #

那么要从根本上解决这个问题，我们就必须保证多个线程在对**共享数据**进行操作时完全同步。也就是说，当线程1在写入时，线程2不仅不能写入而且不能读。因为在线程1写完之前，线程2读取的一定是一个过期数据。Java提供了一个重要的关键字synchronize来实现这个功能。

关键字synchronize的作用是对需要同步的代码加锁，使得每一次，只能有一个线程进入同步代码块，从而保证线程共享数据的安全。

synchronize有多种用法，这里做一个简单的整理：

*  作用于代码块：对给定对象加锁，进入同步代码块前要获得给定对象的锁。
 *  作用于实例方法：相当于对当前实例加锁，进入方法前要获得当前实例的锁。
 *  作用于静态方法：相当于对当前类加锁，进入方法前要获得当前类的锁。

## 1.作用于代码块 ##

下述代码，将关键字synchronize作用于代码块，因此，每次当线程进入被synchronize包裹的代码块时，就会要求请求obj实例的锁。如果当前有其他线程正持有这把锁，那么新到的线程就必须等待。这样，就保证每次只有一个线程能进入synchronize作用的代码块。

class Shopping implements Runnable {
        
    	private int num = 10;
    	static Shopping shop = new Shopping();
    
    	public void run() {
        
    		while (true) {
        
    			synchronized (shop) {
        
    				if (num > 0) {
        
    					try {
        
    						//模拟CUP暂停对某线程的执行转而执行另一线程
    						Thread.sleep(10);
    					} catch (InterruptedException e) {
        
    						e.printStackTrace();
    					}
    					System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
    					+ "抢血拼到了第" + num-- + "双鞋");
    				} else
    					break;
    			}
    		}
    	}
    }
    
    public class Test {
        
    	public static void main(String[] args) {
        
    		Shopping shopping = new Shopping();
    
    		Thread t1 = new Thread(shopping, "线程1");
    		Thread t2 = new Thread(shopping, "线程2");
    
    		t1.start();
    		t2.start();
    	}
    }

## 2.作用于实例方法 ##

我们还可以使用第二种用法改写上述代码：

class Shopping implements Runnable {
        
    	private int num = 10;
    	//stop的作用是跳出循环
    	boolean stop = false;
    
    	public void run() {
        
    		while (true) {
        
    			if (stop)
    				break;
    			stop = shop(stop);
    		}
    	}
    	//synchronize作用于实例方法
    	public synchronized boolean shop(boolean stop) {
        
    		if (num > 0) {
        
    			try {
        
    				Thread.sleep(10);
    			} catch (InterruptedException e) {
        
    				e.printStackTrace();
    			}
    			System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
    			+ "抢血拼到了第" + num-- + "双鞋");
    		} else
    			stop = true;
    		return stop;
    	}
    }
    
    public class Test {
        
    	public static void main(String[] args) {
        
    		Shopping shopping = new Shopping();
    		Thread t1 = new Thread(shopping, "线程1");
    		Thread t2 = new Thread(shopping, "线程2");
    		t1.start();
    		t2.start();
    	}
    }

上述代码中，synchronize作用于一个实例方法。也就是说进入shop()方法前，线程必须获得当前对象实例的锁。在本例中就是**对象shopping**。

## 3.作用于静态方法 ##

如果要使用第三种用法，即作用于静态方法上，此时int类型的变量num也要是static类型，不然访问不到。

class Shopping implements Runnable {
        
    	//静态变量
    	private static int num = 10;
    	boolean stop = false;
    
    	public void run() {
        
    		while (true) {
        
    			if (stop)
    				break;
    			stop = shop(stop);
    		}
    	}
    
    	//synchronize作用于静态方法
    	public static synchronized boolean shop(boolean stop) {
        
    		if (num > 0) {
        
    			try {
        
    				Thread.sleep(10);
    			} catch (InterruptedException e) {
        
    				e.printStackTrace();
    			}
    			System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
    			+ "抢血拼到了第" + num-- + "双鞋");
    		} else
    			stop = true;
    		return stop;
    	}
    }
    
    public class Test {
        
    	public static void main(String[] args) {
        
    		//这种方式当然可以实现，暂且注释掉，重点看另一种方式。
    		/*Shopping shopping = new Shopping();
    		Thread t1 = new Thread(shopping, "线程1");
    		Thread t2 = new Thread(shopping, "线程2");*/
    		Shopping s1 = new Shopping();
    		Shopping s2 = new Shopping();
    		Thread t1 = new Thread(s1, "线程1");
    		Thread t2 = new Thread(s2, "线程2");
    		t1.start();
    		t2.start();
    	}
    }

从两个技术点进行分析：

1.  虽然上诉代码，new了两个Shopping类型的实例。但是int型的变量num是静态变量，所有Shopping类型的实例共享一份；
2.  虽然两个线程指向了不同的Shopping实例。但是synchronize作用于静态方法时，相当于对当前类即Shopping类加锁，进入方法前要获得当前类的锁，s1、s2都是Shopping类的实例，同为Shopping类的锁，因此，线程间可以正确同步。

这两个技术点缺一不可，下面我们分三种情况讨论：

1.  int类型变量num不是静态变量。这种情况不详细讨论，有明显错误——静态方法不能访问非静态变量。
2.  把shop()方法只用synchronize修饰不用static修饰。此时，两个线程的Shopping类型实例不是同一个对象。因此，线程t1会在进入同步方法前加锁s1对象，而线程t2也加锁自己的对象s2。  
    即，这两个线程使用的是两把不同的锁。因此，线程安全时无法保证的。  
    多运行几次，还是会有这样的情况出现：

线程1抢血拼到了第0双鞋

1.  前两种情况的叠加，既不使用static修饰变量num，也不修饰shop()方法。此时的运行结果是这样：

线程1抢血拼到了第10双鞋
    线程2抢血拼到了第10双鞋
    线程2抢血拼到了第9双鞋
    线程1抢血拼到了第9双鞋
    线程1抢血拼到了第8双鞋
    线程2抢血拼到了第8双鞋
    线程2抢血拼到了第7双鞋
    线程1抢血拼到了第7双鞋
    线程2抢血拼到了第6双鞋
    线程1抢血拼到了第6双鞋
    线程1抢血拼到了第5双鞋
    线程2抢血拼到了第5双鞋
    线程2抢血拼到了第4双鞋
    线程1抢血拼到了第4双鞋
    线程2抢血拼到了第3双鞋
    线程1抢血拼到了第3双鞋
    线程1抢血拼到了第2双鞋
    线程2抢血拼到了第2双鞋
    线程2抢血拼到了第1双鞋
    线程1抢血拼到了第1双鞋

完全是各玩各的。即此时在Java堆中有两个Shopping类型实例s1和s2，线程t1和线程t2在操作各自实例中的num。

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