Java线程同步和线程通信

一、线程同步

    当多个线程访问同一个数据时，非常容易出现线程安全问题。这时候就需要用线程同步。    

    不可变类总是线程安全的，因为它的对象状态是不可改变的，但可变类对象需要额外的方法来保证线程安全。

1、同步监视器

    释放同步监视器的锁定

    任何线程进入同步代码块、同步方法之前，必须先获得对同步监视器的锁定，那么何时会释放对同步监视器锁定？

  程序无法显示的释放对同步监视器的锁定，线程可以通过以下方式释放锁定：

    A、当线程的同步方法、同步代码库执行结束，就可以释放同步监视器

    B、当线程在同步代码库、方法中遇到break、return终止代码的运行，也可释放

    C、当线程在同步代码库、同步方法中遇到未处理的Error、Exception，导致该代码结束也可释放同步监视器

    D、当线程在同步代码库、同步方法中，程序执行了同步监视器对象的wait方法，导致方法暂停，释放同步监视器.

  下面情况不会释放同步监视器：

    A、当线程在执行同步代码库、同步方法时，程序调用了Thread.sleep()/Thread.yield()方法来暂停当前程序，当前程序不会释放同步监视器

    B、当线程在执行同步代码库、同步方法时，其他线程调用了该线程的suspend方法将该线程挂起，该线程不会释放同步监视器。注意尽量避免使用suspend、resume

2、synchronized

    法用synchronized同步关键字修饰，那么这个方法就是一个同步的方法。这样就只能有一个线程可以访问这个方法，

    在当前线程调用这个方法时，此方法是被锁状态，同步监视器是this。只有当此方法修改完毕后其他线程才能调用此方法。

    这样就可以保证线程的安全，处理多线程并发取钱的的安全问题。

　　public synchronized void drawMoney(double money) {
        //取钱操作
　　}

    注意：synchronized可以修饰方法、代码块，但不能修饰属性、构造方法

3、同步锁（Lock）

    通常认为：Lock提供了比synchronized方法和synchronized代码块更广泛的锁定操作，Lock更灵活的结构，有很大的差别，并且可以支持多个Condition对象

    Lock是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。通常，锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一个线程对Lock对象加锁，

    线程开始访问共享资源之前应先获得Lock对象。不过某些锁支持共享资源的并发访问，如：ReadWriteLock（读写锁），在线程安全控制中，

    通常使用ReentrantLock（可重入锁）。使用该Lock对象可以显示加锁、释放锁。

    class C {
        //锁对象
        private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        ......
        //保证线程安全方法
        public void method() {
            //上锁
            lock.lock();
            try {
                //保证线程安全操作代码
            } catch() {

            } finally {
                lock.unlock();//释放锁
            }
        }
    }

    使用Lock对象进行同步时，锁定和释放锁时注意把释放锁放在finally中保证一定能够执行。

    使用锁和使用同步很类似，只是使用Lock时显示的调用lock方法来同步。而使用同步方法synchronized时系统会隐式使用当前对象作为同步监视器，同样都是“加锁->访问->释放锁”的操作模式，都可以保证只能有一个线程操作资源。

    同步方法和同步代码块使用与竞争资源相关的、隐式的同步监视器，并且强制要求加锁和释放锁要出现在一个块结构中，而且获得多个锁时，

    它们必须以相反的顺序释放，且必须在与所有锁被获取时相同的范围内释放所有资源。

    Lock提供了同步方法和同步代码库没有的其他功能，包括用于非块结构的tryLock方法，已经试图获取可中断锁lockInterruptibly()方法，

    还有获取超时失效锁的tryLock(long, timeUnit)方法。

    ReentrantLock具有重入性，也就是说线程可以对它已经加锁的ReentrantLock再次加锁，ReentrantLock对象会维持一个计数器来追踪lock方法的嵌套调用，

    线程在每次调用lock()加锁后，必须显示的调用unlock()来释放锁，所以一段被保护的代码可以调用另一个被相同锁保护的方法。

二、线程通信

（1）、线程的协调运行

        场景：用2个线程，这2个线程分别代表存款和取款。——现在系统要求存款者和取款者不断重复的存款和取款的动作，

        而且每当存款者将钱存入账户后，取款者立即取出这笔钱。不允许2次连续存款、2次连续取款。

        实现上述场景需要用到Object类，提供的wait、notify和notifyAll三个方法，这3个方法并不属于Thread类。但这3个方法必须由同步监视器调用，可分为2种情况：

        A、对于使用synchronized修饰的同步方法，因为该类的默认实例this就是同步监视器，所以可以在同步中直接调用这3个方法。

        B、对于使用synchronized修改的同步代码块，同步监视器是synchronized后可括号中的对象，所以必须使用括号中的对象调用这3个方法

        方法概述：

        一、wait方法：导致当前线程进入等待，直到其他线程调用该同步监视器的notify方法或notifyAll方法来唤醒该线程。

                wait方法有3中形式：无参数的wait方法，会一直等待，直到其他线程通知；带毫秒参数的wait和微妙参数的wait，

                这2种形式都是等待时间到达后苏醒。调用wait方法的当前线程会释放对该对象同步监视器的锁定。

        二、notify：唤醒在此同步监视器上等待的单个线程。如果所有线程都在此同步监视器上等待，则会随机选择唤醒其中一个线程。

            只有当前线程放弃对该同步监视器的锁定后（用wait方法），才可以执行被唤醒的线程。

        三、notifyAll：唤醒在此同步监视器上等待的所有线程。只有当前线程放弃对该同步监视器的锁定后，才能执行唤醒的线程。

（2）、条件变量控制协调

        如果程序不使用synchronized关键字来保证同步，而是直接使用Lock对象来保证同步，则系统中不存在隐式的同步监视器对象，也不能使用wait、notify、notifyAll方法来协调进程的运行。

        当使用Lock对象同步，Java提供一个Condition类来保持协调，使用Condition可以让那些已经得到Lock对象却无法组合使用，

        为每个对象提供了多个等待集（wait-set），这种情况下，Lock替代了同步方法和同步代码块，Condition替代同步监视器的功能。

        Condition实例实质上被绑定在一个Lock对象上，要获得特定的Lock实例的Condition实例，调用Lock对象的newCondition即可。

        Condition类方法介绍：

        一、await：类似于隐式同步监视器上的wait方法，导致当前程序等待，直到其他线程调用Condition的signal方法和signalAll方法来唤醒该线程。

            该await方法有跟多获取变体：long awaitNanos(long nanosTimeout),void awaitUninterruptibly()、awaitUntil(Date daadline)

        二、signal：唤醒在此Lock对象上等待的单个线程，如果所有的线程都在该Lock对象上等待，则会选择随机唤醒其中一个线程。

            只有当前线程放弃对该Lock对象的锁定后，使用await方法，才可以唤醒在执行的线程。

        三、signalAll：唤醒在此Lock对象上等待的所有线程。只有当前线程放弃对该Lock对象的锁定后，才可以执行被唤醒的线程。

（3）、使用管道流

        线程通信使用管道流，管道流有3种形式：

        PipedInputStream、PipedOutputStream、PipedReader和PipedWriter以及Pipe.SinkChannel和Pipe.SourceChannel，

        它们分别是管道流的字节流、管道字符流和新IO的管道Channel。

        管道流通信基本步骤：

        A、使用new操作法来创建管道输入、输出流

        B、使用管道输入流、输出流的connect方法把2个输入、输出流连接起来

        C、将管道输入、输出流分别传入2个线程

        D、2个线程可以分别依赖各自的管道输入流、管道输出流进行通信

Reference：

　　Java Thread 多线程理论 目录索引

　　Java Thread 多线程 介绍

　　Java Thread 多线程 操作线程

　　Java Thread 多线程同步、锁、通信

　　Java Thread 多线程 线程池