Java多線程之搞定最后一公里詳解

更新時(shí)間：2021年10月11日 14:04:24 作者：愛(ài)敲代碼的小高

Java 給多線程編程提供了內(nèi)置的支持。一條線程指的是進(jìn)程中一個(gè)單一順序的控制流，一個(gè)進(jìn)程中可以并發(fā)多個(gè)線程，每條線程并行執(zhí)行不同的任務(wù)，多線程是多任務(wù)的一種特別的形式，但多線程使用了更小的資源開(kāi)銷(xiāo)

緒論

上期介紹了多線程的概念、優(yōu)勢(shì)、創(chuàng)建方法以及幾個(gè)常用的關(guān)鍵字。有了之前的基礎(chǔ)過(guò)后，我們來(lái)討論討論線程安全問(wèn)題以及其他線程進(jìn)階知識(shí)。

一：線程安全問(wèn)題

1.1 提出問(wèn)題

首先，給大家看一下這個(gè)代碼：

public class yy1 {
    private static class Counter {
        private long n = 0;
        public void increment() {
            n++;
        }
        public void decrement() {
            n--;
        }
        public long value() {
            return n;
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final int COUNT = 1000_0000;
        Counter counter = new Counter();
        Thread thread = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
                counter.increment();
            }
        }, "李四");
        thread.start();
        for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
            counter.decrement();
        }
        thread.join();
// 期望最終結(jié)果應(yīng)該是 0
        System.out.println(counter.value());
    }
}

大家看結(jié)果：

大家觀察下是否適用多線程的現(xiàn)象是否一致？同時(shí)嘗試思考下為什么會(huì)有這樣的現(xiàn)象發(fā)生呢？

想給出一個(gè)線程安全的確切定義是復(fù)雜的，但我們可以這樣認(rèn)為：

如果多線程環(huán)境下代碼運(yùn)行的結(jié)果是符合我們預(yù)期的，即在單線程環(huán)境應(yīng)該的結(jié)果，則說(shuō)這個(gè)程序是線程安全的。

1.2 不安全的原因

1.2.1 原子性

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，當(dāng)我i們買(mǎi)票的時(shí)候，如果車(chē)站剩余票數(shù)大于0，就可以買(mǎi)。反之，買(mǎi)完一張票后，車(chē)站的票數(shù)也會(huì)自動(dòng)減一。假設(shè)出現(xiàn)這種情況，兩個(gè)人同時(shí)來(lái)買(mǎi)票，只剩最后一張票，前面那個(gè)人把最后一張票買(mǎi)了，但是短時(shí)間內(nèi)票數(shù)還沒(méi)減一也就是清零，這時(shí)另外一個(gè)人看到還有一張票，于是提交訂單，但是其實(shí)已經(jīng)沒(méi)有多余的票了，那么問(wèn)題就來(lái)了。這時(shí)我們引入原子性：

我們把一段代碼想象成一個(gè)房間，每個(gè)線程就是要進(jìn)入這個(gè)房間的人。如果沒(méi)有任何機(jī)制保證， A 進(jìn)入房間之后，還沒(méi)有出來(lái)； B 是不是也可以進(jìn)入房間，打斷 A 在房間里的隱私。這個(gè)就是不具備原子性的。那我們應(yīng)該如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？是不是只要給房間加一把鎖， A 進(jìn)去就把門(mén)鎖上，其他人是不是就進(jìn)不來(lái)了。這樣就保證了這段代碼的原子性了。有時(shí)也把這個(gè)現(xiàn)象叫做同步互斥，表示操作是互相排斥的。不保證原子性，如果一個(gè)線程正在對(duì)一個(gè)變量操作，中途其他線程插入進(jìn)來(lái)了，如果這個(gè)操作被打斷了，結(jié)果就可能是錯(cuò)誤的。

1.2.2 代碼“優(yōu)化”

一段代碼是這樣的：

1. 去前臺(tái)取下 U 盤(pán)

2. 去教室寫(xiě) 10 分鐘作業(yè)

3. 去前臺(tái)取下快遞

如果是在單線程情況下， JVM 、 CPU 指令集會(huì)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，比如，按 1->3->2 的方式執(zhí)行，也是沒(méi)問(wèn)題，可以少跑一次前臺(tái)。這種叫做指令重排序。剛才那個(gè)例子中，單線程情況是沒(méi)問(wèn)題的，優(yōu)化是正確的，但在多線程場(chǎng)景下就有問(wèn)題了，什么問(wèn)題呢。可能快遞是在你寫(xiě)作業(yè)的10 分鐘內(nèi)被另一個(gè)線程放過(guò)來(lái)的，或者被人變過(guò)了，如果指令重排序了，代碼就會(huì)是錯(cuò)誤的。

二：如何解決線程不安全的問(wèn)題

2.1 通過(guò)synchronized關(guān)鍵字

synchronized 的底層是使用操作系統(tǒng)的 mutex lock 實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)線程釋放鎖時(shí)， JMM 會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的工作內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存中當(dāng)線程獲取鎖時(shí)， JMM 會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存置為無(wú)效。從而使得被監(jiān)視器保護(hù)的臨界區(qū)代碼必須從主內(nèi) 存中讀取共享變量 synchronized 用的鎖是存在 Java對(duì)象頭里的。 synchronized 同步快對(duì)同一條線程來(lái)說(shuō)是可重入的，不會(huì)出現(xiàn)自己把自己鎖死的問(wèn)題；同步塊在已進(jìn)入的線程執(zhí)行完之前，會(huì)阻塞后面其他線程的進(jìn)入。

鎖的 SynchronizedDemo 對(duì)象

public class SynchronizedDemo {
public synchronized static void methond() {
}
public static void main(String[] args) {
method();
// 進(jìn)入方法會(huì)鎖 SynchronizedDemo.class 指向?qū)ο笾械逆i；出方法會(huì)釋放
SynchronizedDemo.class 指向的對(duì)象中的鎖
}
}

鎖的 SynchronizedDemo 類(lèi)的對(duì)象

public class SynchronizedDemo {
public synchronized static void methond() {
}
public static void main(String[] args) {
method();
// 進(jìn)入方法會(huì)鎖 SynchronizedDemo.class 指向?qū)ο笾械逆i；出方法會(huì)釋放
SynchronizedDemo.class 指向的對(duì)象中的鎖
}
}

明確鎖的對(duì)象

public class SynchronizedDemo {
public synchronized static void methond() {
}
public static void main(String[] args) {
method();
// 進(jìn)入方法會(huì)鎖 SynchronizedDemo.class 指向?qū)ο笾械逆i；出方法會(huì)釋放
SynchronizedDemo.class 指向的對(duì)象中的鎖
}
}

public class SynchronizedDemo {
public void methond() {
// 進(jìn)入代碼塊會(huì)鎖 SynchronizedDemo.class 指向?qū)ο笾械逆i；出代碼塊會(huì)釋放
SynchronizedDemo.class 指向的對(duì)象中的鎖
synchronized (SynchronizedDemo.class) {
}
}
public static void main(String[] args) {
SynchronizedDemo demo = new SynchronizedDemo();
demo.method();
}
}

2.2 volatile

這里提一下volatile：

首先，被volatile關(guān)鍵字修飾的變量，編譯器與運(yùn)行時(shí)都會(huì)注意到這個(gè)變量是共享的，因此不會(huì)將該變量上的操作與其他內(nèi)存操作一起重排序。volatile變量不會(huì)被緩存在寄存器或者對(duì)其他處理器不可見(jiàn)的地方，因此在讀取volatile類(lèi)型的變量時(shí)總會(huì)返回最新寫(xiě)入的值。

在訪問(wèn)volatile變量時(shí)不會(huì)執(zhí)行加鎖操作，因此也就不會(huì)使執(zhí)行線程阻塞，因此volatile變量是一種比sychronized關(guān)鍵字更輕量級(jí)的同步機(jī)制。當(dāng)對(duì)非 volatile 變量進(jìn)行讀寫(xiě)的時(shí)候，每個(gè)線程先從內(nèi)存拷貝變量到CPU緩存中。如果計(jì)算機(jī)有多個(gè)CPU，每個(gè)線程可能在不同的CPU上被處理，這意味著每個(gè)線程可以拷貝到不同的 CPU cache 中。而聲明變量是 volatile 的，JVM 保證了每次讀變量都從內(nèi)存中讀，跳過(guò) CPU cache 這一步

三：wait和notify關(guān)鍵字

3.1 wait方法

其實(shí) wait() 方法就是使線程停止運(yùn)行。

1. 方法 wait() 的作用是使當(dāng)前執(zhí)行代碼的線程進(jìn)行等待， wait() 方法是 Object 類(lèi)的方法，該方法是用來(lái)將當(dāng)前線程置入 “ 預(yù)執(zhí)行隊(duì)列 ” 中，并且在 wait() 所在的代碼處停止執(zhí)行，直到接到通知或被中斷為止。

2. wait() 方法只能在同步方法中或同步塊中調(diào)用。如果調(diào)用 wait() 時(shí)，沒(méi)有持有適當(dāng)?shù)逆i，會(huì)拋出異常。

3. wait() 方法執(zhí)行后，當(dāng)前線程釋放鎖，線程與其它線程競(jìng)爭(zhēng)重新獲取鎖。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object object = new Object();
synchronized (object) {
System.out.println(" 等待中 ...");
object.wait();
System.out.println(" 等待已過(guò) ...");
}
System.out.println("main 方法結(jié)束 ...");
}

這樣在執(zhí)行到 object.wait() 之后就一直等待下去，那么程序肯定不能一直這么等待下去了。這個(gè)時(shí)候就需要使用到了另外一個(gè)方法喚醒的方法 notify() 。

3.2 notify方法

notify 方法就是使停止的線程繼續(xù)運(yùn)行。

1. 方法 notify() 也要在同步方法或同步塊中調(diào)用，該方法是用來(lái)通知那些可能等待該對(duì)象的對(duì)象鎖的其它線程，對(duì) 其發(fā)出通知 notify ，并使它們重新獲取該對(duì)象的對(duì)象鎖。如果有多個(gè)線程等待，則有線程規(guī)劃器隨機(jī)挑選出一個(gè) 呈 wait 狀態(tài)的線程。
2. 在 notify() 方法后，當(dāng)前線程不會(huì)馬上釋放該對(duì)象鎖，要等到執(zhí)行 notify() 方法的線程將程序執(zhí)行完，也就是退出同步代碼塊之后才會(huì)釋放對(duì)象鎖。

class MyThread implements Runnable {
    private boolean flag;
    private Object obj;
    public MyThread(boolean flag, Object obj) {
        super();
        this.flag = flag;
        this.obj = obj;
    }
    public void waitMethod() {
        synchronized (obj) {
            try {
                while (true) {
                    System.out.println("wait()方法開(kāi)始.. " +
                            Thread.currentThread().getName());
                    obj.wait();
                    System.out.println("wait()方法結(jié)束.. " +
                            Thread.currentThread().getName());
                    return;
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    public void notifyMethod() {
        synchronized (obj) {
            try {
                System.out.println("notifyAll()方法開(kāi)始.. " +
                        Thread.currentThread().getName());
                obj.notifyAll();
                System.out.println("notifyAll()方法結(jié)束.. " +
                        Thread.currentThread().getName());
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    @Override
    public void run() {
        if (flag) {
            this.waitMethod();
        } else {
            this.notifyMethod();
        }
    }
}
public class TestThread {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object object = new Object();
        MyThread waitThread1 = new MyThread(true, object);
        MyThread waitThread2 = new MyThread(true, object);
        MyThread waitThread3 = new MyThread(true, object);
        MyThread notifyThread = new MyThread(false, object);
        Thread thread1 = new Thread(waitThread1, "wait線程A");
        Thread thread2 = new Thread(waitThread2, "wait線程B");
        Thread thread3 = new Thread(waitThread3, "wait線程C");
        Thread thread4 = new Thread(notifyThread, "notify線程");
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
        Thread.sleep(1000);
        thread4.start();
        System.out.println("main方法結(jié)束!!");
    }
}

從結(jié)果上來(lái)看第一個(gè)線程執(zhí)行的是一個(gè) waitMethod 方法，該方法里面有個(gè)死循環(huán)并且使用了 wait 方法進(jìn)入等待狀態(tài) 將釋放鎖，如果這個(gè)線程不被喚醒的話將會(huì)一直等待下去，這個(gè)時(shí)候第二個(gè)線程執(zhí)行的是 notifyMethod 方法，該方法里面執(zhí)行了一個(gè)喚醒線程的操作，并且一直將 notify 的同步代碼塊執(zhí)行完畢之后才會(huì)釋放鎖然后繼續(xù)執(zhí)行 wait 結(jié)束打印語(yǔ)句。注意： wait ， notify 必須使用在 synchronized 同步方法或者代碼塊內(nèi)。

3.3 wait和sleep對(duì)比（面試?？迹?/h3>
其實(shí)理論上 wait 和 sleep 完全是沒(méi)有可比性的，因?yàn)橐粋€(gè)是用于線程之間的通信的，一個(gè)是讓線程阻塞一段時(shí)間，唯一的相同點(diǎn)就是都可以讓線程放棄執(zhí)行一段時(shí)間。用生活中的例子說(shuō)的話就是婚禮時(shí)會(huì)吃糖，和家里自己吃糖之間有差別。說(shuō)白了放棄線程執(zhí)行只是 wait 的一小段現(xiàn)象。當(dāng)然為了面試的目的，我們還是總結(jié)下：

1. wait 之前需要請(qǐng)求鎖，而 wait 執(zhí)行時(shí)會(huì)先釋放鎖，等被喚醒時(shí)再重新請(qǐng)求鎖。這個(gè)鎖是 wait 對(duì)像上的 monitor

lock

2. sleep 是無(wú)視鎖的存在的，即之前請(qǐng)求的鎖不會(huì)釋放，沒(méi)有鎖也不會(huì)請(qǐng)求。

3. wait 是 Object 的方法

4. sleep 是 Thread 的靜態(tài)方法

四：多線程案例

4.1 餓漢模式單線程

class Singleton {
private static Singleton instance = new Singleton();
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}

4.2 懶漢模式單線程

class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}

4.3 懶漢模式多線程低性能版

class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private Singleton() {}
public synchronized static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}

4.4懶漢模式-多線程版-二次判斷-性能高

class Singleton {
private static volatile Singleton instance = null;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}