一、线程安全

1.线程安全的概念

线程安全:某个类被单个线程,或者多个线程同时访问,所表现出来的行为是一致,则可以说这个类是线程安全的。

2.什么情况下会出现线程安全问题

在单线程中不会出现线程安全问题,在多线程编程的情况下,并且多个线程访问同一资源的情况下可能出现线程安全问题。如下面的例子,出现典型的线程安全问题:

 public class BookSaleRunable implements Runnable{
private int bookNum=10;//书的总数为10
@Override
public void run() {
for(int i=0;i<5;i++){
if(bookNum>0){
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 卖出一本书,剩余书籍:"+(--bookNum));
}
} } public static void main(String[] args) {
BookSaleRunable booksr = new BookSaleRunable();
//开启3个线程
Thread t1 = new Thread(booksr);
Thread t2 = new Thread(booksr);
Thread t3 = new Thread(booksr);
t1.start();
t2.start();
t3.start();
} }

结果输出:

Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:9
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:7
Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:8
Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:6
Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:4
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:5
Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:3
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:1
Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:2
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:0
Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:-1
Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:-2

上例出现超卖现象,在生活中不允许,同时如果是一个线程肯定不会出现。那么如何解决这个问题呢?基本上所有的并发模式在解决线程冲突问题的时候,都是采用序列化访问共享资源的方案,在给定时刻只允许一个任务访问共享资源。

二、解决线程安全问题的方法

1.synchronized关键字

synchronized,顾名思义就是同步的意思,主要用来给方法、代码块加锁。当某个方法或者代码块使用synchronized时,那么在同一时刻至多仅有有一个线程在执行该段代码。当有多个线程访问同一对象的加锁方法/代码块时,同一时间只有一个线程在执行,其余线程必须要等待当前线程执行完之后才能执行该代码段。但是,其余线程是可以访问该对象中的非加锁代码块的。synchronized可以用来修饰方法和代码块。

synchronized修饰方法

当synchronized关键字修饰方法的时候,这个方法我们称为同步方法,同步方法可以控制对类成员变量的方法,synchronized关键字表明方法已经加锁,当任意一个线程访问同步方法的时候都必须 判断这个方法是否被其他线程独占。所有对象自动含有单一的锁,当在对象上调用其任意的synchronized方法的时候,次对象被加锁,这个时候这个对象的其他synchronized方法必须等到前一个同步方法调用完毕并释放锁之后才能被调用。如下:

 public class BookSaleRunable2 implements Runnable{
private int bookNum=20;//书的总数为10
@Override
public void run() {
for(int i=0;i<7;i++){
saleBook();
} } public static void main(String[] args) {
BookSaleRunable2 booksr = new BookSaleRunable2();
//开启3个线程
Thread t1 = new Thread(booksr);
Thread t2 = new Thread(booksr);
Thread t3 = new Thread(booksr);
t1.start();
t2.start();
t3.start();
} private synchronized void saleBook(){
if(bookNum>0){
try {
Thread.sleep(300);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 卖出一本书,剩余书籍:"+(--bookNum));
}
} }

结果输出:

Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:19
Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:18
Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:17
Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:16
Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:15
Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:14
Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:13
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:12
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:11
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:10
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:9
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:8
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:7
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:6
Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:5
Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:4
Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:3
Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:2
Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:1
Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:0

注意:在使用并发的时候,将域设置为private是非常重要的,否则,synchronized关键字不能防止其他任务直接访问域,这样讲产生冲突问题。

synchronized与static

关键字synchronized可以修饰static静态方法,这个时候是对当前静态方法所属的Class类进行加锁。与修饰普通方法是有差别的。如下:

 public class ServiceDemo {

     public  static void print1(){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" print1 start ");
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" print1 end ");
}
public static void print2(){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" print2 start ");
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" print2 end ");
} public static void main(String[] args) {
ServiceDemo serviceDemo1 = new ServiceDemo();
ServiceDemo serviceDemo2 = new ServiceDemo();
Thread t1 =new Thread(new Thread1(serviceDemo1));
Thread t2 =new Thread(new Thread2(serviceDemo2));
t1.start();
t2.start();
}
} class Thread1 implements Runnable{
private ServiceDemo serviceDemo; Thread1(ServiceDemo serviceDemo){
this.serviceDemo = serviceDemo;
} @Override
public void run() {
serviceDemo.print1();
} }
class Thread2 implements Runnable{
private ServiceDemo serviceDemo; Thread2(ServiceDemo serviceDemo){
this.serviceDemo = serviceDemo;
} @Override
public void run() {
serviceDemo.print2();
} }

输出结果:

Thread-0 print1 start
Thread-1 print2 start
Thread-0 print1 end
Thread-1 print2 end

使用static和synchronized结合的时候,效果完全不同了,如下:

 public class ServiceDemo {

     public synchronized static void print1(){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" print1 start ");
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" print1 end ");
}
public synchronized static void print2(){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" print2 start ");
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" print2 end ");
} public static void main(String[] args) {
ServiceDemo serviceDemo1 = new ServiceDemo();
ServiceDemo serviceDemo2 = new ServiceDemo();
Thread t1 =new Thread(new Thread1(serviceDemo1));
Thread t2 =new Thread(new Thread2(serviceDemo2));
t1.start();
t2.start();
}
} class Thread1 implements Runnable{
private ServiceDemo serviceDemo; Thread1(ServiceDemo serviceDemo){
this.serviceDemo = serviceDemo;
} @Override
public void run() {
serviceDemo.print1();
} }
class Thread2 implements Runnable{
private ServiceDemo serviceDemo; Thread2(ServiceDemo serviceDemo){
this.serviceDemo = serviceDemo;
} @Override
public void run() {
serviceDemo.print2();
} }

输出结果:

Thread-0 print1 start
Thread-0 print1 end
Thread-1 print2 start
Thread-1 print2 end

从结果看出,两个线程并未共享同一个对象,但是两个不同对象的静态同步方法发生了同步互斥。如果将ServiceDemo类中的一个方法修改为非静态同步方法,上述代码的执行结果则可能不是上面显示的那样了,那是因为如果一个线程执行一个对象的非static synchronized方法,另外一个线程需要执行这个对象所属类的static synchronized方法,此时不会发生互斥现象,因为访问static synchronized方法占用的是类锁,而访问非static synchronized方法占用的是对象锁,所以不存在互斥现象。

synchronized修饰代码块

使用关键字synchronized声明方法在某些情况下是有弊端的,非常影响效率。如果多个线程在访问一个synchronized方法,那么同一时刻只有一个线程在执行该方法,而其他线程都必须等待,但是如果该方法没有使用synchronized,则所有线程可以在同一时刻执行它,减少了执行的总时间。在这样的情况下,推荐使用同步语句块来解决,同步方法是对当前对象进行加锁,而synchronized代码块是对某一个对象加锁。synchronized代码块使用起来比synchronized方法要灵活得多。因为也许一个方法中只有一部分代码只需要同步,如果此时对整个方法用synchronized进行同步,会影响程序执行效率。

 public class BookSaleRunable3 implements Runnable{
private int bookNum=20;//书的总数为10
@Override
public void run() {
for(int i=0;i<7;i++){
synchronized (this) {
if(bookNum>0){
try {
Thread.sleep(300);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 卖出一本书,剩余书籍:"+(--bookNum));
}
}
} } public static void main(String[] args) {
BookSaleRunable3 booksr = new BookSaleRunable3();
//开启3个线程
Thread t1 = new Thread(booksr);
Thread t2 = new Thread(booksr);
Thread t3 = new Thread(booksr);
t1.start();
t2.start();
t3.start();
} }

结果输出:

Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:19
Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:18
Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:17
Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:16
Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:15
Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:14
Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:13
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:12
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:11
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:10
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:9
Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:8
Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:7
Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:6
Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:5
Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:4
Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:3
Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:2
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:1
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:0

总结:

  • 当一个线程访问对象的一个synchronized方法的时候,另外的线程仍然可以访问对象的非synchronized方法。
  • 当一个线程正在访问一个对象的synchronized方法,那么其他线程不能访问该对象的其他synchronized方法。
  • 同一时间只有一个线程可以执行synchronized同步代码块中的代码。
  • 如果一个线程执行一个对象的非static synchronized方法,另外一个线程需要执行这个对象所属类的static synchronized方法,此时不会发生互斥现象,因为访问static synchronized方法占用的是类锁,而访问非static synchronized方法占用的是对象锁,所以不存在互斥现象。
  • synchronized方法或者synchronized代码块,当出现异常时,JVM会自动释放当前线程占用的锁,因此不会由于异常导致出现死锁现象

2.Lock锁机制

Lock对象必须被显式的创建、锁定和释放,与jvm内建的锁相比,代码缺乏优雅性,但是对于解决某些特殊类型的问题来说,它更加灵活。使用synchronized关键字,需要些的代码量更少。具体的例子如下:

 public class BookSaleRunable4 implements Runnable {
private int bookNum = 10;// 书的总数为10
private Lock lock = new ReentrantLock();// 重入锁 @Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 3; i++) {
lock.lock();// 显示加锁
try {
if (bookNum > 0) {
Thread.sleep(300);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 卖出一本书,剩余书籍:" + (--bookNum));
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally{
lock.unlock();//主动释放锁,很容易忘记释放锁
}
} }
public static void main(String[] args) {
BookSaleRunable4 booksr = new BookSaleRunable4();
// 开启3个线程
Thread t1 = new Thread(booksr);
Thread t2 = new Thread(booksr);
Thread t3 = new Thread(booksr);
t1.start();
t2.start();
t3.start();
} }

结果输出:

Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:9
Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:8
Thread-0 卖出一本书,剩余书籍:7
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:6
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:5
Thread-2 卖出一本书,剩余书籍:4
Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:3
Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:2
Thread-1 卖出一本书,剩余书籍:1

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