关于线程同步(7种方式)

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为何要使用同步?
    java允许多线程并发控制,当多个线程同时操作一个可共享的资源变量时(如数据的增删改查),
    将会导致数据不准确,相互之间产生冲突,因此加入同步锁以避免在该线程没有完成操作之前,被其他线程的调用,
    从而保证了该变量的唯一性和准确性。

1.同步方法
    即有synchronized关键字修饰的方法。
    由于java的每个对象都有一个内置锁,当用此关键字修饰方法时,
    内置锁会保护整个方法。在调用该方法前,需要获得内置锁,否则就处于阻塞状态。

代码如:
    public synchronized void save(){}

注: synchronized关键字也可以修饰静态方法,此时如果调用该静态方法,将会锁住整个类

2.同步代码块
    即有synchronized关键字修饰的语句块。
    被该关键字修饰的语句块会自动被加上内置锁,从而实现同步

代码如:
    synchronized(object){
    }

注:同步是一种高开销的操作,因此应该尽量减少同步的内容。
    通常没有必要同步整个方法,使用synchronized代码块同步关键代码即可。
    
    代码实例:

package com.xhj.thread;

    /**
     * 线程同步的运用
     *
     * @author XIEHEJUN
     *
     */
    public class SynchronizedThread {

        class Bank {

            private int account = 100;

            public int getAccount() {
                return account;
            }

            /**
             * 用同步方法实现
             *
             * @param money
             */
            public synchronized void save(int money) {
                account += money;
            }

            /**
             * 用同步代码块实现
             *
             * @param money
             */
            public void save1(int money) {
                synchronized (this) {
                    account += money;
                }
            }
        }

        class NewThread implements Runnable {
            private Bank bank;

            public NewThread(Bank bank) {
                this.bank = bank;
            }

            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    // bank.save1(10);
                    bank.save(10);
                    System.out.println(i + "账户余额为:" + bank.getAccount());
                }
            }

        }

        /**
         * 建立线程,调用内部类
         */
        public void useThread() {
            Bank bank = new Bank();
            NewThread new_thread = new NewThread(bank);
            System.out.println("线程1");
            Thread thread1 = new Thread(new_thread);
            thread1.start();
            System.out.println("线程2");
            Thread thread2 = new Thread(new_thread);
            thread2.start();
        }

        public static void main(String[] args) {
            SynchronizedThread st = new SynchronizedThread();
            st.useThread();
        }

    }

3.使用特殊域变量(volatile)实现线程同步

a.volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制,

    b.使用volatile修饰域相当于告诉虚拟机该域可能会被其他线程更新,

c.因此每次使用该域就要重新计算,而不是使用寄存器中的值

d.volatile不会提供任何原子操作,它也不能用来修饰final类型的变量

例如:

在上面的例子当中,只需在account前面加上volatile修饰,即可实现线程同步。

代码实例:

      //只给出要修改的代码,其余代码与上同
        class Bank {
            //需要同步的变量加上volatile
            private volatile int account = 100;

            public int getAccount() {
                return account;
            }
            //这里不再需要synchronized
            public void save(int money) {
                account += money;
            }
        }

注:多线程中的非同步问题主要出现在对域的读写上,如果让域自身避免这个问题,则就不需要修改操作该域的方法。

    用final域,有锁保护的域和volatile域可以避免非同步的问题。

4.使用重入锁实现线程同步

在JavaSE5.0中新增了一个java.util.concurrent包来支持同步。

    ReentrantLock类是可重入、互斥、实现了Lock接口的锁,

它与使用synchronized方法和快具有相同的基本行为和语义,并且扩展了其能力

ReenreantLock类的常用方法有:

ReentrantLock() : 创建一个ReentrantLock实例

        lock() : 获得锁

unlock() : 释放锁

注:ReentrantLock()还有一个可以创建公平锁的构造方法,但由于能大幅度降低程序运行效率,不推荐使用

       
    例如:

在上面例子的基础上,改写后的代码为:

代码实例:

//只给出要修改的代码,其余代码与上同
        class Bank {

            private int account = 100;
            //需要声明这个锁
            private Lock lock = new ReentrantLock();
            public int getAccount() {
                return account;
            }
            //这里不再需要synchronized
            public void save(int money) {
                lock.lock();
                try{
                    account += money;
                }finally{
                    lock.unlock();
                }

            }
        }

注:关于Lock对象和synchronized关键字的选择:

        a.最好两个都不用,使用一种java.util.concurrent包提供的机制,

能够帮助用户处理所有与锁相关的代码。

b.如果synchronized关键字能满足用户的需求,就用synchronized,因为它能简化代码

c.如果需要更高级的功能,就用ReentrantLock类,此时要注意及时释放锁,否则会出现死锁,通常在finally代码释放锁

5.使用局部变量实现线程同步

    如果使用ThreadLocal管理变量,则每一个使用该变量的线程都获得该变量的副本,

副本之间相互独立,这样每一个线程都可以随意修改自己的变量副本,而不会对其他线程产生影响。

ThreadLocal 类的常用方法

ThreadLocal() : 创建一个线程本地变量

    get() : 返回此线程局部变量的当前线程副本中的值

initialValue() : 返回此线程局部变量的当前线程的"初始值"

set(T value) : 将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为value

例如:

        在上面例子基础上,修改后的代码为:

代码实例:

//只改Bank类,其余代码与上同
        public class Bank{
            //使用ThreadLocal类管理共享变量account
            private static ThreadLocal<Integer> account = new ThreadLocal<Integer>(){
                @Override
                protected Integer initialValue(){
                    return 100;
                }
            };
            public void save(int money){
                account.set(account.get()+money);
            }
            public int getAccount(){
                return account.get();
            }
        }

注:ThreadLocal与同步机制
        a.ThreadLocal与同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。

b.前者采用以"空间换时间"的方法,后者采用以"时间换空间"的方式

6.使用阻塞队列实现线程同步

前面5种同步方式都是在底层实现的线程同步,但是我们在实际开发当中,应当尽量远离底层结构。 
    使用javaSE5.0版本中新增的java.util.concurrent包将有助于简化开发。 
    本小节主要是使用LinkedBlockingQueue<E>来实现线程的同步 
    LinkedBlockingQueue<E>是一个基于已连接节点的,范围任意的blocking queue。 
    队列是先进先出的顺序(FIFO),关于队列以后会详细讲解~ 
    
   LinkedBlockingQueue 类常用方法 
    LinkedBlockingQueue() : 创建一个容量为Integer.MAX_VALUE的LinkedBlockingQueue 
    put(E e) : 在队尾添加一个元素,如果队列满则阻塞 
    size() : 返回队列中的元素个数 
    take() : 移除并返回队头元素,如果队列空则阻塞 
    
   代码实例: 
        实现商家生产商品和买卖商品的同步

 package com.xhj.thread;

 import java.util.Random;
 import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

 /**
  * 用阻塞队列实现线程同步 LinkedBlockingQueue的使用
  *
  * @author XIEHEJUN
  *
  */
 public class BlockingSynchronizedThread {
     /**
      * 定义一个阻塞队列用来存储生产出来的商品
      */
     private LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<Integer>();
     /**
      * 定义生产商品个数
      */
     private static final int size = 10;
     /**
      * 定义启动线程的标志,为0时,启动生产商品的线程;为1时,启动消费商品的线程
      */
     private int flag = 0;

     private class LinkBlockThread implements Runnable {
         @Override
         public void run() {
             int new_flag = flag++;
             System.out.println("启动线程 " + new_flag);
             if (new_flag == 0) {
                 for (int i = 0; i < size; i++) {
                     int b = new Random().nextInt(255);
                     System.out.println("生产商品:" + b + "号");
                     try {
                         queue.put(b);
                     } catch (InterruptedException e) {
                         // TODO Auto-generated catch block
                         e.printStackTrace();
                     }
                     System.out.println("仓库中还有商品:" + queue.size() + "个");
                     try {
                         Thread.sleep(100);
                     } catch (InterruptedException e) {
                         // TODO Auto-generated catch block
                         e.printStackTrace();
                     }
                 }
             } else {
                 for (int i = 0; i < size / 2; i++) {
                     try {
                         int n = queue.take();
                         System.out.println("消费者买去了" + n + "号商品");
                     } catch (InterruptedException e) {
                         // TODO Auto-generated catch block
                         e.printStackTrace();
                     }
                     System.out.println("仓库中还有商品:" + queue.size() + "个");
                     try {
                         Thread.sleep(100);
                     } catch (Exception e) {
                         // TODO: handle exception
                     }
                 }
             }
         }
     }

     public static void main(String[] args) {
         BlockingSynchronizedThread bst = new BlockingSynchronizedThread();
         LinkBlockThread lbt = bst.new LinkBlockThread();
         Thread thread1 = new Thread(lbt);
         Thread thread2 = new Thread(lbt);
         thread1.start();
         thread2.start();

     }

 }

注:BlockingQueue<E>定义了阻塞队列的常用方法,尤其是三种添加元素的方法,我们要多加注意,当队列满时:

  add()方法会抛出异常

  offer()方法返回false

  put()方法会阻塞

7.使用原子变量实现线程同步

需要使用线程同步的根本原因在于对普通变量的操作不是原子的。

那么什么是原子操作呢?
原子操作就是指将读取变量值、修改变量值、保存变量值看成一个整体来操作
即-这几种行为要么同时完成,要么都不完成。

在java的util.concurrent.atomic包中提供了创建了原子类型变量的工具类
使用该类可以简化线程同步。

其中AtomicInteger 表可以用原子方式更新int的值,可用在应用程序中(如以原子方式增加的计数器),
但不能用于替换Integer;可扩展Number,允许那些处理机遇数字类的工具和实用工具进行统一访问。

AtomicInteger类常用方法:
AtomicInteger(int initialValue) : 创建具有给定初始值的新的AtomicInteger
addAddGet(int dalta) : 以原子方式将给定值与当前值相加
get() : 获取当前值

代码实例:
只改Bank类,其余代码与上面第一个例子同

 class Bank {
         private AtomicInteger account = new AtomicInteger(100);

         public AtomicInteger getAccount() {
             return account;
         }

         public void save(int money) {
             account.addAndGet(money);
         }
     } 

补充--原子操作主要有:
  对于引用变量和大多数原始变量(long和double除外)的读写操作;
  对于所有使用volatile修饰的变量(包括long和double)的读写操作。

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