Java線程同步及實現(xiàn)方法詳解

更新時間：2023年11月09日 09:39:12 作者：y_initiate

這篇文章主要介紹了Java線程同步及實現(xiàn)方法詳解,當我們有多個線程要同時訪問一個變量或?qū)ο髸r,如果這些線程中既有讀又有寫操作時,就會導致變量值或?qū)ο蟮臓顟B(tài)出現(xiàn)混亂,從而導致程序異常,需要的朋友可以參考下

1. 什么是線程同步？

首先，引用一個非常經(jīng)典的例子來說明為什么要進行線程同步

當我們有多個線程要同時訪問一個變量或?qū)ο髸r，如果這些線程中既有讀又有寫操作時，就會導致變量值或?qū)ο蟮臓顟B(tài)出現(xiàn)混亂，從而導致程序異常。舉個例子，動物園有三個窗口同時在售賣門票，假設還剩最后一張門票時，有兩個窗口同時有人在買門票，此時兩個窗口都觀察到還有一張門票，于是兩個窗口都選擇了賣出，此時門票數(shù)變成了-1，出現(xiàn)錯誤。

還可能會出現(xiàn)其他情況的錯誤，比如剩余10張票時，兩個窗口同時售賣出一張票后修改票數(shù)為9。

package test;
import java.io.*;
public class TicketThreadTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        TicketThread ticket1 = new TicketThread();
        Thread thread1 = new Thread(ticket1, "窗口1");
        Thread thread2 = new Thread(ticket1, "窗口2");
        Thread thread3 = new Thread(ticket1, "窗口3");
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
        thread1.join(); // 等待三個線程結(jié)束后打印賣出總數(shù)
        thread2.join();
        thread3.join();
        System.out.println("sellNum: " + TicketThread.sellNum);
    }
}
class TicketThread implements Runnable {
    private static int ticketNum = 20; // 總票數(shù)
    public static int sellNum = 0; // 統(tǒng)計賣出總票數(shù)
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            if (ticketNum > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "賣出了一張票，剩余：" + --ticketNum);  // 賣出一張票
                sellNum++;  // 賣出總票數(shù)加1
            } else {
                break;
            }
            try {
                Thread.sleep(10);  // 每次sleep 10ms，提高出錯可能
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}

這是某次程序運行結(jié)果，很顯然賣出29張票，發(fā)生了錯誤

窗口3賣出了一張票，剩余：19
窗口1賣出了一張票，剩余：18
窗口2賣出了一張票，剩余：17
窗口3賣出了一張票，剩余：16
窗口1賣出了一張票，剩余：16
窗口2賣出了一張票，剩余：16
窗口1賣出了一張票，剩余：15
窗口3賣出了一張票，剩余：14
窗口2賣出了一張票，剩余：15
窗口2賣出了一張票，剩余：13
窗口3賣出了一張票，剩余：12
窗口1賣出了一張票，剩余：13
窗口3賣出了一張票，剩余：9
窗口1賣出了一張票，剩余：11
窗口2賣出了一張票，剩余：10
窗口1賣出了一張票，剩余：7
窗口3賣出了一張票，剩余：8
窗口2賣出了一張票，剩余：8
窗口1賣出了一張票，剩余：5
窗口3賣出了一張票，剩余：6
窗口2賣出了一張票，剩余：6
窗口2賣出了一張票，剩余：4
窗口3賣出了一張票，剩余：3
窗口1賣出了一張票，剩余：4
窗口1賣出了一張票，剩余：2
窗口3賣出了一張票，剩余：2
窗口2賣出了一張票，剩余：1
窗口2賣出了一張票，剩余：-1
窗口1賣出了一張票，剩余：0
sellNum: 29

2. Java線程同步方法

Java線程同步有7種方法

使用 synchronized關(guān)鍵字實現(xiàn)線程同步
使用wait和notify實現(xiàn)線程同步
使用特殊域變量(volatile)實現(xiàn)線程同步
使用重入鎖實現(xiàn)線程同步，在JavaSE5.0中新增了一個java.util.concurrent包來支持同步
使用局部變量實現(xiàn)線程同步，如果使用ThreadLocal管理變量，則每一個使用該變量的線程都獲得該變量的副本，副本之間相互獨立，這樣每一個線程都可以隨意修改自己的變量副本，而不會對其他線程產(chǎn)生影響。
使用阻塞隊列實現(xiàn)線程同步
使用原子變量實現(xiàn)線程同步

3 使用synchronized實現(xiàn)線程同步

synchronized的作用主要有三個：

原子性：確保線程互斥地訪問同步代碼
可見性：保證共享變量的修改能夠及時可見

可見性是通過Java內(nèi)存模型中的“對一個變量unlock操作之前，必須要同步到主內(nèi)存中；如果對一個變量進行l(wèi)ock操作，則將會清空工作內(nèi)存中此變量的值，在執(zhí)行引擎使用此變量前，需要重新從主內(nèi)存中l(wèi)oad操作或assign操作初始化變量值”來保證的

有序性：有效解決重排序問題，即 “一個unlock操作先行發(fā)生(happen-before)于后面對同一個鎖的lock操作”

happen-before：If one action _happens-before _another, then the first is visible to and ordered before the second. 如果指令甲happens-before指令乙，那么指令甲必須排序在指令乙之前，并且指令甲的執(zhí)行結(jié)果對指令乙可見。

3.1 同步代碼塊

同步代碼塊是通過鎖定一個指定的對象，來對同步代碼塊中的代碼進行同步。一個線程訪問一個對象中的synchronized(this)同步代碼塊時，其他試圖訪問該代碼塊的線程將被阻塞。注意synchronized必須鎖住的是指定的對象，不同對象間不會阻塞，如果需要鎖住類對象，只需要使用synchronized(Class clazz)鎖住類即可。

我們使用同步代碼塊來解決售票問題

package test;
import java.io.*;
public class TicketThreadTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        TicketThread ticket1 = new TicketThread();
        Thread thread1 = new Thread(ticket1, "窗口1");
        Thread thread2 = new Thread(ticket1, "窗口2");
        Thread thread3 = new Thread(ticket1, "窗口3");
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
        thread1.join(); // 等待三個線程結(jié)束后打印賣出總數(shù)
        thread2.join();
        thread3.join();
        System.out.println("sellNum: " + TicketThread.sellNum);
    }
}
class TicketThread implements Runnable {
    private static int ticketNum = 20; // 總票數(shù)
    public static int sellNum = 0; // 統(tǒng)計賣出總票數(shù)
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (this) {	// 鎖住對共享變量的訪問
                if (ticketNum > 0) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "賣出了一張票，剩余：" + --ticketNum);  // 賣出一張票
                    sellNum++;  // 賣出總票數(shù)加1
                } else {
                    break;
                }
            }
            try {
                Thread.sleep(10);  // 每次sleep 10ms，提高出錯可能
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}

從運行結(jié)果可以看到synchronized修飾的代碼塊同一時間只能有一個線程訪問

窗口1賣出了一張票，剩余：19
窗口2賣出了一張票，剩余：18
窗口3賣出了一張票，剩余：17
窗口3賣出了一張票，剩余：16
窗口2賣出了一張票，剩余：15
窗口1賣出了一張票，剩余：14
窗口1賣出了一張票，剩余：13
窗口2賣出了一張票，剩余：12
窗口3賣出了一張票，剩余：11
窗口2賣出了一張票，剩余：10
窗口3賣出了一張票，剩余：9
窗口1賣出了一張票，剩余：8
窗口1賣出了一張票，剩余：7
窗口2賣出了一張票，剩余：6
窗口3賣出了一張票，剩余：5
窗口2賣出了一張票，剩余：4
窗口3賣出了一張票，剩余：3
窗口1賣出了一張票，剩余：2
窗口3賣出了一張票，剩余：1
窗口1賣出了一張票，剩余：0
sellNum: 20

注意上述類中的ticketNum和sellNum都屬于類對象，如果我們使用不同的實例對象，使用synchronized(this)鎖住的不是同一個對象，會發(fā)現(xiàn)并沒有實現(xiàn)線程同步，此時就需要鎖住synchronized(this.getClass())。

使用不同實例對象，main方法中修改如下:

//使用不同實例對象，main方法中修改如下:
TicketThread ticket1 = new TicketThread();
TicketThread ticket2 = new TicketThread();
TicketThread ticket3 = new TicketThread();
Thread thread1 = new Thread(ticket1, “窗口1”);
Thread thread2 = new Thread(ticket2, “窗口2”);
Thread thread3 = new Thread(ticket3, “窗口3”);
//TicketThread類中修改為
synchronized(this.getClass())或synchronized(TicketThread.class)

3.2 同步方法

同步方法是對這個方法塊里的代碼進行同步，而這種情況下鎖定的對象就是方法所屬的對象自身。

相當于使用synchronized(this)鎖住方法中的代碼

如果這個方法是靜態(tài)同步方法呢？那么線程鎖定的就不是這個類的對象了，而是這個類對應的java.lang.Class類型的對象。

相當于使用synchronized(this.getClass())鎖住方法中的代碼

**注意：**當一個同步方法或者同步塊被某個線程執(zhí)行時，這個對象就被鎖定了，其他線程無法在此時訪問這個對象的同步方法，也不能執(zhí)行同步塊，但可以訪問非同步方法中的非同步代碼塊。

上述售票問題使用同步方法實現(xiàn)線程同步

package test;
import java.io.*;
public class TicketThreadTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        TicketThread ticket1 = new TicketThread();
        Thread thread1 = new Thread(ticket1, "窗口1");
        Thread thread2 = new Thread(ticket1, "窗口2");
        Thread thread3 = new Thread(ticket1, "窗口3");
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
        thread1.join(); // 等待三個線程結(jié)束后打印賣出總數(shù)
        thread2.join();
        thread3.join();
        System.out.println("sellNum: " + TicketThread.sellNum);
    }
}
class TicketThread implements Runnable {
    private static int ticketNum = 20; // 總票數(shù)
    public static int sellNum = 0; // 統(tǒng)計賣出總票數(shù)
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            if(!sellOneTicket()){
                break;
            }
            try {
                Thread.sleep(10);  // 每次sleep 10ms，提高出錯可能
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
    private synchronized boolean sellOneTicket(){
        if (ticketNum > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "賣出了一張票，剩余：" + --ticketNum);  // 賣出一張票
            sellNum++;  // 賣出總票數(shù)加1
            return true;
        } else {
            return false;
        }
    }
}

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