【一文通关】Java多线程基础（4）- 线程同步

红太狼 2023-10-09 21:09 55阅读 0赞

### 线程同步 ###

Java程序中可以存在多线程,但是在处理多线程问题时必须注意这样一个问题:

当*两个或多个线程同时访问同一个变量*, 并且*一些线程需要修改这个变量*。

程序应对这样的问题做出处理，否则可能发生混乱。

比如, *工资管理负责人正在修改雇员的工资表*, 而一些*雇员也正在查看工资*, 如果允许这样做必然出现混乱(雇员查看工资5000但领取的工资2000，最后把老板打了一顿)

因此， 工资管理员正在修改工资表时(包括他喝杯茶休息一会), 将不允许任何雇员查看， 也就是说他们需要等待。

所谓线程同步就是若干个线程都需要使用一个 synchronized（同步)修饰的方法,即程序中的若干个线程都需要使用一个方法,而这个方法用synchronized 给予了修饰。多个线程调用synchronized方法必须遵守同步机制。

线程同步机制:当一个线程A使用 synchronized方法时，其他线程想使用这个Synchronized 方法时就必须等待，直到线程A使用完该synchronized 方法。

在使用多线程解决许多实际问题时，可能要把某些修改数据的方法用关键字synchronized来修饰,即使用同步机制。

#### 举例 ####

现拥有一个账本。有两个人:会计和出纳，他俩共同拥有一个账本。

会计使用 saveOrTake(int amount)时, 向账本写入存钱记录。

出纳使用 saveOrTake(int amount)方法时, 向账本上写入花钱记录;

因此，当会计正在使用 saveOrTake(int amount)时，出纳被禁止使用,反之也是这样。

会计在账本上存入300万元,每存入100万时会喝茶休息一会儿。

出纳在账本上支出150万元，每支出50万时喝茶休息一会儿。

public class Main {
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            Bank bank = new Bank();
            bank.accountant.start();
            bank.cashier.start();
        }
    }
    
    class Bank implements Runnable {
    
        Thread accountant, cashier;
    
        int money = 300;
    
        Bank() {
            this.accountant = new Thread(this);
            this.cashier = new Thread(this);
        }
    
        @Override
        public void run() {
            Thread thread = Thread.currentThread();
            if (thread == accountant) {
                saveOrTake(300);
            } else if (thread == cashier) {
                saveOrTake(150);
            }
        }
    
        public synchronized void saveOrTake(int money) {
            if (Thread.currentThread() == accountant) {
                for (int i = 0; i < money / 100; i++) {
                    this.money += 100;
                    System.out.println("账户增加了100万， 现在有:" + this.money + "万");
                    try {
                        System.out.println("喝茶");
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }
            }
            if (Thread.currentThread() == cashier) {
                for (int i = 0; i < money / 50; i++) {
                    this.money -= 50;
                    System.out.println("账户减少了50万， 现在有:" + this.money + "万");
                    try {
                        System.out.println("喝茶");
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }
            }
        }
    }
    复制代码

输出:  
账户增加了100万， 现在有:400万  
喝茶  
账户增加了100万， 现在有:500万  
喝茶  
账户增加了100万， 现在有:600万  
喝茶  
账户减少了50万， 现在有:550万  
喝茶  
账户减少了50万， 现在有:500万  
喝茶  
账户减少了50万， 现在有:450万  
喝茶

#### 代码分析 ####

account与cashier线程都使用的是同一种方法saveOrTake(), 这个方法在使用时会被上锁，一次只能一个线程使用，所以当account使用该方法时，cacshier必须要等待。

### 协调同步 ###

当一个线程使用同步方法时， 其他线程想使用该同步方法必须等待，直到当前线程使用完该方法。

但是实际总会有特殊情况， 当你拿20元去买五元的门票，但是售票员没有零钱，于是你必须放开买票的方法， 你站在旁边等，当售票员得到足够的零钱才来找你。

当*一个线程使用的同步方法使用到某个变量，而此变量有需要其他线程修改后才能符合线程的需要*，那么可以使用wait()和notify()方法。

#### wait()和notify() ####

wait()和notify()是Java中用于线程间通信的两个方法，它们通常用于实现线程同步。

wait()方法使当前线程进入等待状态，直到另一个线程调用notify()或notifyAll()方法唤醒它。

*wait()方法可以被用于控制线程的执行顺序或等待某些条件的发生。*

wait()方法可以在两种情况下被调用：

1.  当前线程需要等待某个条件的发生，并且没有其他方式可以知道条件是否满足。在这种情况下，线程进入等待状态，*并且释放它所持有的任何锁*。
2.  当前线程需要等待另一个线程完成某个操作。在这种情况下，线程进入等待状态，并且持有它所持有的锁，以防止其他线程修改它正在等待的数据。

notify()方法则是唤醒一个正在等待的线程，使其从等待状态返回到可运行状态。如果有多个线程在等待，*notify()只会唤醒其中一个线程，选择哪个线程被唤醒是不确定的*。如果需要唤醒所有等待的线程，可以使用notifyAll()方法。

使用wait()和notify()方法需要注意以下几点：

1.  *必须在同步块中*调用wait()和notify()方法，否则会抛出IllegalMonitorStateException异常。
2.  *需要在while循环中调用wait()方法*，**以确保线程在等待时或者被唤醒时会再次检查条件。**
3.  调用wait()方法后，线程会释放它所持有的锁。因此，在调用wait()方法前需要确保线程已经获取所需的锁。
4.  在调用notify()或notifyAll()方法之前，必须确保已经获取了相应的锁。
5.  notify()和notifyAll()方法只会唤醒正在等待的线程，而不会停止正在运行的线程。如果需要停止线程，需要使用其他手段，如使用volatile变量或使用interrupt()方法。

#### 实际例子 ####

小明带了20买门票，门票5元一张， 但是售票员只有两张五元的，因此，小明去等待直到零钱足够，直到零钱足够。

听到呼唤，小红带着5元也来买门票了

public class Main {
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            TicketHouse house = new TicketHouse();
            // ming线程
            Thread ming = new Thread(house);
            ming.setName("ming");
            // hong线程
            Thread hong = new Thread(house);
            hong.setName("hong");
            // 开始买票
            ming.start();
            hong.start();
        }
    }
    
    class TicketHouse implements Runnable {
    
        int fiveMount = 2;
        int twentyMount = 0;
    
    
        @Override
        public void run() {
            String name = Thread.currentThread().getName();
            if(name.equals("ming")){
                saleTicket(20);
            } else if (name.equals("hong")) {
                saleTicket(5);
            }
        }
    
        public synchronized void saleTicket(int money) {
            // money为5， 直接购票成功
            if(money == 5){
                fiveMount+=1;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "购票成功");
            } else if (money == 20) {
                // money为20， 需要判断零钱是否足够
                twentyMount+=1;
                // 使用while，以确保线程在等待时或者被唤醒时会再次检查条件
                while (fiveMount < 3){
                    System.out.println("零钱不够," + Thread.currentThread().getName()+ "在旁边等");
                    try {
                        wait(); // 线程被卡在这个位置
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "被激活了");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }
                fiveMount -= 3;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "买票成功，付钱20，找零3张5元");
            }
            // 这一步每次有人来买票都会运行
            // 激活所有等待该方法的线程
            notifyAll();
        }
    }
    复制代码

输出:  
零钱不够,ming在旁边等  
hong购票成功  
ming被激活了  
ming买票成功，付钱20，找零3张5元

#### 提示 ####

*  记得把wait()方法放在while中， 唤醒时可以对条件进行判断，防止逻辑错误。
 *  选择哪个唤醒方法
    
    在Java中，使用notify()方法唤醒等待线程时，并不能确定具体唤醒哪个线程。这是因为在多线程环境下，存在竞争关系，多个线程可能同时等待同一个锁对象的唤醒信号。在唤醒信号到来时，只有一个线程能够获取锁对象并从wait()方法返回，而其他线程还会继续等待信号。
    
    具体来说，*当一个线程调用notify()方法时，它会随机唤醒一个正在等待该锁对象的线程*。这意味着唤醒的线程可能是任何一个在等待该锁对象的线程，而不能确定具体是哪一个线程。因此，在编写多线程程序时，需要特别注意唤醒信号的使用，以避免出现死锁或竞争等问题。
    
    为了避免唤醒错误的线程，可以采用以下方法：
    
    1.  使用notifyAll()方法，唤醒所有等待该锁对象的线程，让它们竞争锁对象。
    2.  在等待锁对象前，使用一个标志位来记录等待线程的状态，这样在唤醒线程时可以根据状态来判断唤醒哪个线程。
    3.  使用Lock和Condition接口实现线程同步，其中Condition接口提供了更灵活的等待和唤醒方法，可以更方便地控制线程的执行顺序和唤醒顺序。
    
    总之，唤醒哪个线程并不是确定的，需要在编写多线程程序时谨慎使用，以避免出现问题。

作者：按时交作业  
链接：https://juejin.cn/post/7228403689756229693