线程同步的7种方式

为什么要使用同步呢?

我们熟知JAVA中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,被其他线程调用,从而保证了该变量的唯一性和准确性。

1、同步方法

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

有synchronized修饰的代码块。

被该关键字修饰的语句块会自动加上内置锁,从而实现同步。

代码如:synchronized(object){

}

注:同步是一种高开销的操作,因此应尽量减少同步的内容。通常情况下,我们没有必要同步整个方法,使用synchronized代码块同步关键代码即可。

代码示例:

  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.  因此每次使用该域都要重新计算,而不是直接读取寄存器中的值。

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。

代码示例:

//只给出要修改的代码,其余代码与上同

             class Bank {

//在需要同步的变量前面加volatile

            private volatile int account = 100;

            public int getAccount() {
                return account;
            }

//这里就不再需要synchronized进行修饰

            public void save(int money){

                      account += money;

}

注:多线程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,那么则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。

代码示例:

//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:

  • 最好两个都不用吗,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有关的代码。
  • 如果synchronized关键字能满足用户的需求,就用synchronized关键字,因为它能简化代码。
  • 如果需要使用更高级的功能,就使用ReentrantLock类,此时要注意一定要及时释放锁,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。

代码示例:

//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:

都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。

前者采用以“空间换时间”的方式,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

使用 LinkedBlockingQueue<E>来实现线程同步。

 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)。

 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():移出并返回队头元素,如果队列空则阻塞。

代码示例:实现商家生产商品和买卖商品的同步

/**
 * 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()方法会抛出异常。

put()方法会抛出异常。

7、使用原子变量实现线程同步

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 initalValue):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。

代码示例:

//只改变Bank,其他和上同

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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