Java之多线程同步

synchronized关键字
Lock接口
ReentrantLock类
1. 线程同步问题的引入 测试代码如下:
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RunnableThread Java之多线程同步
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主程序,创建RunnableThread类的对象,同时启动三个线程

运行结果:本来是100张票,但是结果是101次
分析:这是由于程序中当线程名字是Thread-0时,线程休眠10ms,这时线程是阻塞的,且并没有将ticket减1;这时其他线程正常运行,就会导致线程同步问题


2. java的线程同步关键字synchronized 2.1. 同步方式一
synchronized(非匿名的任意对象){
线程要操作的共享数据
}


修改RunnableThread类,加入线程同步:
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加上同步之后,线程就没有同步异常的问题了
synchronized(obj)中的obj相当于是一个同步锁,没有get到锁的线程不能进入同步,在同步中的线程如果没有运行到synchronized的最后,则不会释放锁
另外,加上了线程同步之后,程序的运行速度会明显减慢


2.2. 同步方式二:同步方法(推荐方式!)
好处:代码简介,使用清晰,省去synchronized中的 非匿名任意对象,而这个obj对象由本类对象引用this隐式代替,只是没有写出来而已。
方式:将线程共享数据,同步,抽取到一个方法中,在方法的声明处加入同步关键字
void synchronized shareFunction(){
critical section
}
修改2.1:
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说明(了解一下):
当同步方法是非静态方法的时候,obj锁是它自己this,this被系统隐式处理了
但当同步方法是静态static的时候,obj锁是本类.class,在这个例子当中就是RunnableTread.class,class是一个属性。同时,静态的同步方法,必须对应静态的共享变量,这里的ticket必须要用static修饰,因为静态方法中是没有this和supper的
对synchronized的补充:
如果拿到synchronized的线程异常退出了,那么等待锁的线程是否会一直等待呢?
答案是否定的,当JVM发现有锁的线程异常了之后会将它的锁自动释放,再由其它等待的线程拿到锁
引申:
前面我们介绍过StringBuffer和StringBuilder类
StringBuffer类说它是一个线程安全的类,现在我们查看StringBuffer的源码,发现这个类,除了构造方法,其他所有的方法都使用了synchronized关键字修饰
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StringBuffer类的部分方法 而StringBuilder类是一个线程不安全的类,因为源码中它的方法是没有synchronized修饰的


3. 从JDK1.5开始的Lock接口替代synchronized关键字 synchronized的缺陷:
如果获取锁的线程由于要等待IO或者其它原因(比如sleep)被阻塞了,但是又没有释放锁,其它线程便只能等待,这样非常影响程序执行的效率。因此就需要一种机制:可以不让线程一直无期限等待下去(比如只等待一定时间或者能够相应中断),通过Lock就可以办到。
又假设当多个线程读写文件时,read-write会发生冲突现象,write-write会发生冲突,但是read-read不会发生冲突。如果采用synchronized,就不能让read-read同时进行,只要有一个线程read,其他想read的线程都只能等待,严重影响效率。一次需要一种机制:使得多个线程都只是read时,线程之间不会发生冲突,通过Lock就可以办到。
另外通过Lock可以知道线程有没有成功获取到锁,这个是synchronized无法办到的。


Lock和synchronized的区别:
Lock是一个接口,不是Java语言内置的,synchronized是java语言内置的关键字。
Lock与synchronized有一点非常大的不同,采用synchronized不需要用户区手动释放锁,当synchronized方法或者synchronized代码块执行完之后,系统会自动让线程释放对锁的占用;而Lock则必须要用户区手动释放锁,如果没有主动释放锁,就有可能导致出现死锁。


3.1. Lock接口的方法 void lock()
获取普通锁,如果锁已被获取,则只能等待,功能等同于synchronized关键字。但不同的是Lock后必须unLock锁,一般来说,Lock必须在try{}catch{}中进行,并且将释放锁的操作放在finally块中进行,以保证锁一定被释放,防止死锁的发生。
void lockInterruptibly()
例:当2个线程同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时,假设A线程获取到了锁,那B线程只能等待,那么对B线程调用threadB.interrupt()方法能够终端B线程的等待过程。注意,当A线程获取了锁后,是不会被interrupt()方法中断的;因此通过lockInterruptibly()方法获取锁时,如果没有获取到,只能等待,只有等待状态下的线程才是可以响应中断的!
boolean tryLock()
尝试获取锁,如果获取成功返回true,反之返回false。也就是说,这个方法无论如何都不会阻塞等待获取锁
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit)
等待time时间,如果在time时间内获取到锁返回true,如果阻塞等待time时间内没有获取到锁返回false
void unlock()
业务处理完毕,释放锁


3.2. ReentrantLock 3.2.1. lock()-unlock()
使用Lock接口使程序中的应用更为灵活,类似于C++中对锁的使用方式,效果和synchronized关键字是一样的
下面我用Lock接口的实现类ReentrantLock类来改造售票程序
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这里需要将unlock加入到finally中,否则当程序异常的时候,锁没有被释放


3.2.2. tryLock()-unLock()



3.2.3. lockInterruptibly()-unLock()



3.3. ReadWriteLock接口 使用读写锁,可以实现读写分离锁定,读操作可以并发进行,写操作锁定单个线程
如果有一个线程已经占用了读锁,则此时其他线程如果要申请写锁,则申请写锁的线程会一直等待释放读锁
如果有一个线程已经占用了写锁,则此时其他线程如果申请写锁或者读锁,则申请的新城会一直等待释放写锁
已实现的类:ReentrantReadWriteLock


4. 死锁问题 下面这个图是我认为对死锁问题最形象的描述
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用代码实现上图死锁的例子:
创建自定义LockA、LockB类,创建DeadLock类重写Runnable的run方法,在主程序中起2个线程。
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LockA对象 Java之多线程同步
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LockB对象
对LockA、LockB类的说明:
第一次使用private来修饰构造函数,作用是为了防止对象被主程序new对象
使用public static final修饰locka和lockb是为了让程序能够静态调用LockA中的locka和LockB中的lockb,并且locka、lockb不能够被修改
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DeadLockRunnable Java之多线程同步
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运行主程序 结果来看,前4行是同一个线程正常抢到ab锁或ba锁并释放
但是第5,6行一个线程抢到了b锁,另一个线程抢到了a锁,这样就产生了开始图中的死锁,2个线程都不会再继续运行,都卡在打印处了


5. 线程间通信:线程的等待与唤醒
在多线程运行中,有时候某个线程依赖于其他线程的运行结果,这样就需要被依赖的线程去通知依赖线程,那么就会使用线程的等待和唤醒。
所使用的方法:
wait():等待,将正在执行的线程释放其执行资格 和 执行权,并存储到线程池中
notify():唤醒,唤醒线程池中被wait()的线程,一次唤醒一个,而且是任意的
notifyAll():唤醒全部线程,将线程池中的所有等待线程唤醒


5.1. 未做等待唤醒示例: 有一个输入端,有一个输出端,有一个Person类(类中只有2个成员:姓名和年龄)。要求输入端只负责输入Person类的信息,输出端负责打印Person类的信息
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自定义Person类,这里定义成public,没有get、set方法,我们只关心变量 Java之多线程同步
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输入线程 Java之多线程同步
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输出线程 Java之多线程同步
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主程序生成Person类的实例,并开启输入输出线程 查看打印结果:
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打印结果有异常发生,kluter和lesslin的年龄有错误的现象

5.2. 使用synchronized解决异常问题 修改程序:
Person类和主程序不用修改
InputPerson类和OuputPerson类都在在临界区加上synchronized,并且锁一定要用公共的Person对象
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修改的InputPerson类 Java之多线程同步
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修改后的OutputPerson类 再运行,发现没有异常现象存在了


5.3. 使用等待唤醒来控制输入输出 在5.2中,虽然解决了输出异常的问题,但是若输入或者输出线程在某一段时间持续获得CPU调度,那么实际上这个程序没有太大的意义。
我们希望实现的功能是,当输入线程输入Person数据时,输出线程打印这个输入数据,那么这样我们就可以使用等待唤醒的功能。
输入线程:输入完成后,等待,等待输出打印结束,开始下一次输入
输出线程:输出完成后,等待,等待输入重新复制,开始下一次输出


主程序不变
修改Person类:加一个flag来判断输入线程该输入还是等待,输出线程该输出还是等待
修改InputPerson类和OutputPerson类
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修改后的Person类 Java之多线程同步
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修改后的InputPerson类 Java之多线程同步
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修改后的OutputPerson类 输出结果:
Kluter 35和Lesslin 27交替出现
引申:
这里一定要注意wait和notify方法是Object的方法,理论上是可以直接匿名类调用的(也就是直接写wait()和notify()),但是这里一定要用Person类的方法,否则会exception:java.lang.IllegalMonitorStateException
【Java之多线程同步】如果不写p.wait(),jvm就不知道你要监视的wait和notify的对象是什么!

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