Java之线程安全

什么是线程安全？

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。

什么是线程安全问题？

我们通过一个案例，演示线程的安全问题：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 “葫芦娃大战奥特曼”，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 “葫芦娃大战奥特曼”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；需要票，Runnable接口子类来模拟。

模拟票：

package demo03ThreadSafe;

public class RunnableImpl implements Runnable {
    //定义一个多个线程共享的票源
    private int ticket = 10;

    //设置线程任务:卖票
    @Override
    public void run() {
        //使用死循环,让卖票操作重复执行
        while (true) {
            //先判断票是否存在
            if (ticket > 0) {
                try {
                    //先判断票是否存在
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                //票存在,卖票 ticket--
                System.out.println("线程名字是：" + Thread.currentThread().getName() + "正在卖" + ticket + "票");
                ticket--;
            }
        }

    }
}

测试类：

package demo03ThreadSafe;

public class Demo01Ticket {
    public static void main(String[] args) {
        //创建Runnable接口的实现类对象
        RunnableImpl runnable = new RunnableImpl();
        //创建Thread类对象,构造方法中传递Runnable接口的实现类对象
        Thread thread1 = new Thread(runnable, "窗口1");
        Thread thread2 = new Thread(runnable, "窗口2");
        Thread thread3 = new Thread(runnable, "窗口3");
        //调用start方法开启多线程
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();

    }
}

代码执行后结果

查看发现程序出现了两个问题：

相同的票数,比如5这张票被卖了两回。
不存在的票，比如0票与-1票，是不存在的。

这种问题，几个窗口(线程)票数不同步了，这种问题称为线程不安全。

线程安全问题的产生的原因

如果多线程程序运行的结果和单线程运行的结果不一样，这个多线程就是有线程安全问题。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。线程安全问题是不能产生的，我们可以让一个线程在访问共享数据的时候，无论是否失去了CPU的执行权，让其他线程只能等待，等待当前线程对共享数据执行完毕。其他线程才能访问共享数据。

如何解决线程安全问题

当我们使用多个线程访问同一资源的时候，且多个线程中对资源有写的操作，就容易出现线程安全问题。要解决上述多线程并发访问一个资源的安全性问题:也就是解决重复票与不存在票问题，Java中提供了同步机制 (synchronized)来解决。根据案例简述：

/*

窗口1线程进入操作的时候，窗口2和窗口3线程只能在外等着，窗口1操作结束，窗口1和窗口2和窗口3才有机会进入代码
去执行。也就是说在某个线程修改共享资源的时候，其他线程不能修改该资源，等待修改完毕同步之后，才能去抢夺CPU
资源，完成对应的操作，保证了数据的同步性，解决了线程不安全的现象。

*/

为了保证每个线程都能正常执行原子操作,Java引入了线程同步机制。那么怎么去使用呢？有三种方式完成同步操作：

同步代码块。
同步方法。
锁机制。

同步代码块

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。

格式:

synchronized(锁对象){
　　可能会出现线程安全问题的代码(访问了共享数据的代码)
}

注意:

通过代码块中的锁对象,可以使用任意的对象
但是必须保证多个线程使用的锁对象是同一个
锁对象作用：把同步代码块锁住,只让一个线程在同步代码块中执行，在任何时候,最多允许一个线程拥有同步锁,谁拿到锁就进入代码块,其他的线程只能在外等着(BLOCKED)。

使用同步代码块模拟票

package demo04Synchronized;

public class Demo01Synchronized implements Runnable {

    //定义一个多个线程共享的票源
    private int ticket = 10;
    //定义同步锁
    Object obj = new Object();

    //设置线程任务: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 (obj) {
                //先判断票是否存在
                if (ticket > 0) {
                    try {
                        //先判断票是否存在
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    //票存在,卖票 ticket--
                    System.out.println("线程名字是：" + Thread.currentThread().getName() + "正在卖" + ticket + "票");
                    ticket--;
                }
            }

        }

    }
}

测试类

package demo04Synchronized;

public class SynchronizedTest {
    public static void main(String[] args) {
        //创建Runnable接口的实现类对象
        Demo01Synchronized runnable = new Demo01Synchronized();
        //创建Thread类对象,构造方法中传递Runnable接口的实现类对象
        Thread thread1 = new Thread(runnable, "窗口1");
        Thread thread2 = new Thread(runnable, "窗口2");
        Thread thread3 = new Thread(runnable, "窗口3");
        //调用start方法开启多线程
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();

    }
}

代码执行后的结果

同步技术的原理

使用了一个锁对象，这个锁对象叫同步锁，也叫对象锁，也叫对象监视器。多个线程一起抢夺CPU的执行权，谁抢到了锁对象，谁才能进入同步代码块中操作共享数据。没有抢夺到锁对象的线程即使拥有CPU的执行权也会进入线程阻塞状态。总结：同步中的线程，没有执行完毕不会释放锁，同步外的线程没有锁无法进入同步代码块，同步保证了只能有一个线程在同步中执行共享数据，保证了安全。但是程序会频繁的判断锁，获取锁，其执行效率会降低。

同步方法

同步方法:使用synchronized修饰的方法,就叫做同步方法,保证A线程执行该方法的时候,其他线程只能在方法外等着。

格式：

修饰符 synchronized 返回值类型方法名(参数列表){
　　可能会出现线程安全问题的代码(访问了共享数据的代码)
}

同步方法中的同步锁

对于非static方法,同步锁就是this。
对于static方法,我们使用当前方法所在类的字节码对象(类名.class)。

使用同步方法模拟票

package demo05Method;

/*
    卖票案例出现了线程安全问题
    卖出了不存在的票和重复的票

    解决线程安全问题的二种方案:使用同步方法
    使用步骤:
        1.把访问了共享数据的代码抽取出来,放到一个方法中
        2.在方法上添加synchronized修饰符

    格式:定义方法的格式
    修饰符 synchronized 返回值类型 方法名(参数列表){
        可能会出现线程安全问题的代码(访问了共享数据的代码)
    }
 */
public class RunnableImpl implements Runnable {
    //定义一个多个线程共享的票源
    private static int ticket = 10;

    //设置线程任务:卖票
    @Override
    public void run() {
        //使用死循环,让卖票操作重复执行
        while (true) {
            //调用同步方法
            payTicketStatic();
        }
    }

    //定义同步方法
    public static synchronized void payTicketStatic() {

        //先判断票是否存在
        if (ticket > 0) {
            //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            //票存在,卖票 ticket--
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->正在卖第" + ticket + "张票");
            ticket--;
        }
    }

}

定义测试类

package demo05Method;

public class MethodTest {
    public static void main(String[] args) {
        //创建Runnable接口的实现类对象
        RunnableImpl runnable = new RunnableImpl();
        //创建Thread类对象,构造方法中传递Runnable接口的实现类对象
        Thread thread1 = new Thread(runnable, "窗口1");
        Thread thread2 = new Thread(runnable, "窗口2");
        Thread thread3 = new Thread(runnable, "窗口3");
        //调用start方法开启多线程
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }
}

代码执行后的结果

解决线程安全问题的三种方案:使用Lock锁

java.util.concurrent.locks.Lock 机制提供了比synchronized代码块和synchronized方法更广泛的锁定操作, 同步代码块/同步方法具有的功能Lock都有,除此之外更强大,更体现面向对象。Lock锁也称同步锁，加锁与释放锁方法化了，如下：

public void lock() :加同步锁。
public void unlock() :释放同步锁

使用步骤:

在成员位置创建一个ReentrantLock对象（java.util.concurrent.locks.ReentrantLock implements Lock接口）
在可能会出现安全问题的代码前调用Lock接口中的方法lock获取锁
在可能会出现安全问题的代码后调用Lock接口中的方法unlock释放锁

使用Lock锁模拟卖票

package demo06Lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockTest implements Runnable {
    //定义一个多个线程共享的票源
    private int ticket = 10;
    //1:在成员位置创建一个ReentrantLock对象
    ReentrantLock rl = new ReentrantLock();

    //设置线程任务:卖票
    @Override
    public void run() {

        //使用死循环,让卖票操作重复执行
        while (true) {
            //2:在可能会出现安全问题的代码前调用Lock接口中的方法lock获取锁
            rl.lock();
            //先判断票是否存在
            if (ticket > 0) {
                try {
                    //先判断票是否存在
                    Thread.sleep(100);
                    //票存在,卖票 ticket--
                    System.out.println("线程名字是：" + Thread.currentThread().getName() + "正在卖" + ticket + "票");
                    ticket--;
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    //3.在可能会出现安全问题的代码后调用Lock接口中的方法unlock释放锁
                    rl.unlock();//无论程序是否异常,都会把锁释放
                }

            }
        }

    }
}

定义测试类

package demo06Lock;

public class DemoLockTest {
    public static void main(String[] args) {
        //创建接口实现类对象
        LockTest l = new LockTest();
        //创建Thread类对象,构造方法中传递Runnable接口的实现类对象
        Thread thread1 = new Thread(l, "窗口1");
        Thread thread2 = new Thread(l, "窗口2");
        Thread thread3 = new Thread(l, "窗口3");
        //调用start方法开启多线程
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }
}

代码执行后的结果