多线程Synchronized锁的使用与线程之间的通讯

一、什么是线程安全问题

多线程同时对同一个全局变量做写操作，可能会受到其他线程的干扰，就会发生线程安全问题。

Java中的全局变量是存放在堆内存中的，而堆内容对于所有线程来说是共享的。

比如下面一个简单的代码案例：

public class ThreadCount implements Runnable{
    
    
    private int count = 10;

    @Override
    public void run() {
    
    
        while (true) {
    
    
            if (count > 1) {
    
    
                try {
    
    
                	// 模拟两个线程的阻塞状态
                    Thread.sleep(30);
                } catch (Exception e) {
    
    
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                count--;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " == " + count);
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
    
    
        ThreadCount threadCount = new ThreadCount();
        // 启动两个线程执行任务 
        new Thread(threadCount).start();
        new Thread(threadCount).start();
    }
}

代码比较简单，我们看下面控制台的打印：

Thread-1 == 9
Thread-0 == 9
Thread-0 == 7
Thread-1 == 7
Thread-1 == 6
Thread-0 == 6
Thread-1 == 5
Thread-0 == 5
Thread-1 == 4
Thread-0 == 4
Thread-0 == 2
Thread-1 == 2
Thread-1 == 1
Thread-0 == 1

可以看到两个线程之间产生了冲突，产生了线程安全问题。

二、如何解决线程安全问题

如何解决线程安全问题呢？或者说如何实现线程的同步呢？
核心思想：加锁

在同一个JVM中，多个线程需要竞争锁的资源。

那么哪些代码需要加锁呢？
可能会发生线程安全性问题的代码需要加锁。

还是上面的例子，我们在哪里加锁合适呢？
（1）锁加在run()方法上

@Override
    public synchronized void run() {
    
    
        while (true) {
    
    
            if (count > 1) {
    
    
                try {
    
    
                	// 模拟两个线程的阻塞状态
                    Thread.sleep(30);
                } catch (Exception e) {
    
    
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                count--;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " == " + count);
            }
        }
    }

这样可不可以呢？是可以的，但是我们来思考一个问题，如果synchronized加在了run()方法上，那么该执行过程是单线程还是多线程呢？
答案是单线程。我们可以看到以下控制台打印：

Thread-0 == 9
Thread-0 == 8
Thread-0 == 7
Thread-0 == 6
Thread-0 == 5
Thread-0 == 4
Thread-0 == 3
Thread-0 == 2
Thread-0 == 1

这是为什么呢？
原因是因为synchronized加在了run()方法上，获取到锁的线程不会释放锁，会一直持有锁，所以方法的执行就变成了单线程的；没有获取锁的线程，如果一直没有获取锁，中间需要经历一个锁的升级过程，最后会一直阻塞等待锁的释放。

（2）锁加在操作共享资源的代码上

@Override
    public void run() {
    
    
        while (true) {
    
    
            if (count > 1) {
    
    
                try {
    
    
                    Thread.sleep(30);
                } catch (Exception e) {
    
    
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                synchronized (this) {
    
    
                    count--;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " == " + count);
                }
            }
        }
    }

直接看控制台的输出结果：

Thread-1 == 9
Thread-0 == 8
Thread-0 == 7
Thread-1 == 6
Thread-1 == 5
Thread-0 == 4
Thread-0 == 3
Thread-1 == 2
Thread-1 == 1
Thread-0 == 0

这就解决了线程安全问题。
过程就是第一个线程和第二个线程同时去竞争this锁，假设第一个线程获取到锁，那么第二个线程就会阻塞等待，等第一个线程执行完操作资源后，释放锁之后才会获取到锁，执行操作。

三、synchronized锁的基本用法

1.修饰代码块，指定加锁对象，对指定对象加锁，进入同步代码块前要获取 给定对象 的锁。
2.修饰实例方法，作用于当前实例加锁，进入同步代码块前要获取 当前实例 的锁。
3.修饰静态方法，作用于当前类对象（当前类.class）加锁，进入同步代码块前要获得 当前类对象 的锁。

1、修饰代码块（this锁）

public class ThreadCount implements Runnable {
    
    
    private int count = 10;

    @Override
    public void run() {
    
    
        while (true) {
    
    
            sub();
        }
    }
    public void sub() {
    
    
        if (count > 1) {
    
    
            try {
    
    
                Thread.sleep(30);
            } catch (Exception e) {
    
    
                throw new RuntimeException(e);
            }
            // 修饰代码块，即this锁，进入同步代码块之前需要获取对象锁
            synchronized (this) {
    
    
                count--;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " == " + count);
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
    
    
    	// 同一个实例，执行不同线程，是线程安全的，不会出现问题
        //ThreadCount threadCount = new ThreadCount();
        //new Thread(threadCount).start();
        //new Thread(threadCount).start();
        // 不同实例，执行不同线程，会出现线程安全问题，这就是对象锁
        // 代码比较简单，可自行执行测试
        ThreadCount threadCount1 = new ThreadCount();
        ThreadCount threadCount2 = new ThreadCount();
        new Thread(threadCount1).start();
        new Thread(threadCount2).start();
    }
}

2、修饰实例方法（this锁）

	@Override
    public void run() {
    
    
        while (true) {
    
    
            try {
    
    
                Thread.sleep(30);
            } catch (Exception e) {
    
    
                throw new RuntimeException(e);
            }
            sub();
        }
    }
    // 将synchronized加在实例方法上，则使用的还是this锁
    public synchronized void sub() {
    
    
        if (count > 1) {
    
    
            count--;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " == " + count);
        }
    }

3、修饰静态方法

	private static int count = 10;
	
	...
	// 使用当前的  类名.class 锁
	public static synchronized void sub() {
    
    
        if (count > 1) {
    
    
            count--;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " == " + count);
        }
    }

相当于

	public static  void sub() {
    
    
        synchronized(ThreadCount.class) {
    
    
            if (count > 1) {
    
    
                count--;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " == " + count);
            }
        }
    }

四、死锁问题

（1）死锁

所谓死锁，是指多个进程在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局，当进程处于这种僵持状态时，若无外力作用，它们都将无法再向前推进。 因此我们举个例子来描述，如果此时有一个线程A，按照先锁a再获得锁b的的顺序获得锁，而在此同时又有另外一个线程B，按照先锁b再锁a的顺序获得锁。如下图所示：

（2）死锁产生的必要条件

产生死锁的必要条件：

• 互斥条件：进程要求对所分配的资源进行排它性控制，即在一段时间内某资源仅为一进程所占用。
• 请求和保持条件：当进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
• 不剥夺条件：进程已获得的资源在未使用完之前，不能剥夺，只能在使用完时由自己释放。
• 环路等待条件：在发生死锁时，必然存在一个进程–资源的环形链。

（3）诊断synchronized死锁

以下这段代码会产生死锁问题，我们当作测试案例：

public class DeadlockThread implements Runnable {
    
    
    private int count = 1;
    private final String lock = "lock";

    @Override
    public void run() {
    
    
        while (true) {
    
    
            count++;
            if (count % 2 == 0) {
    
    
                synchronized (lock) {
    
    
                    a();
                }
            } else {
    
    
                synchronized (this) {
    
    
                    b();
                }
            }
        }
    }

    public synchronized void a() {
    
    
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",a方法...");
    }

    public void b() {
    
    
        synchronized (lock) {
    
    
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",b方法...");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
    
    
        DeadlockThread deadlockThread = new DeadlockThread();
        Thread thread1 = new Thread(deadlockThread);
        Thread thread2 = new Thread(deadlockThread);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

诊断死锁我们可以使用jdk8自带的诊断工具jconsole.exe

如图，双击打开，选择对应的进程。

这里我们本地，不需要登录，直接选择不安全方式连接。

连接成功之后，点击线程，点击检测死锁，该工具就可以帮我们自动检测到产生死锁的线程，如图：

还能够显示出死锁线程的具体信息，锁的拥有者，以及对应的代码行数：

五、线程如何实现同步

线程如何实现同步?
或者说线程如何保证线程安全性问题？

• 使用synchronized锁，JDK1.6开始，锁的升级过程

偏向锁 --> 轻量级锁 --> 重量级锁

• 使用Lock锁（JUC），需要自己实现锁的升级过程，底层是基于AQS+CAS实现
• 使用ThreadLocal，但是需要注意内存泄漏的问题
• 原子类CAS非阻塞式

六、多线程之间的通信

1、等待/通知机制

等待/通知的相关方法是任意Java对象都具备的，因为这些方法被定义在所有对象的超类java.lang.Object 上，方法如下:
1.notify():通知一个在对象上等待的线程，使其从main()方法返回，而返回的前提是该线程获取到了对象的锁；
2.notifyAll():通知所有等待在该对象的线程；
3.wait():调用该方法的线程进入WAITING状态，只有等待其他线程的通知或者被中断，才会返回。需要注意调用wait()方法后，会主动释放对象的锁。

2、生产者和消费者模型

下面我们通过一个案例来展示生产者消费者模型，模拟过程为两个线程，一个输入线程一个输出线程，输入线程输入内容，输出线程立马打印：

public class ThreadTest {
    
    
	// 共享变量
    class Res {
    
    
        public String userName;
        public char sex;
    }

    /**
     *  输入线程
     */
    class InputThread extends Thread {
    
    
        private Res res;
        public InputThread(Res res) {
    
    
            this.res = res;
        }

        @Override
        public void run() {
    
    
            int count = 0;
            while (true) {
    
    
                if (count == 0) {
    
    
                    res.userName = "zal";
                    res.sex = '男';
                } else {
    
    
                    res.userName = "zzal";
                    res.sex = '女';
                }
                count = (count + 1) % 2;
            }
        }
    }

    /**
     * 输出线程
     */
    class OutPutThread extends Thread {
    
    
        private Res res;
        public OutPutThread(Res res) {
    
    
            this.res = res;
        }
        @Override
        public void run() {
    
    
            while (true) {
    
    
                System.out.println(res.userName + ", " + res.sex);
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
    
    
        new ThreadTest().print();
    }

    public void print() {
    
    
        // 全局对象
        Res res = new Res();
        // 输入线程
        InputThread inputThread = new InputThread(res);
        OutPutThread outPutThread = new OutPutThread(res);
        inputThread.start();
        outPutThread.start();
    }
}

然后我们看控制台输出打印，发现了问题。

这就意味着该代码出现了线程安全性问题，那么为了解决线程安全性问题，我们就需要对线程进行加锁，那么锁哪些代码块呢？

肯定是锁Res对象。

代码改进如下：

public class ThreadTest {
    
    
    class Res {
    
    
        public String userName;
        public char sex;
    }

    /**
     *  输入线程
     */
    class InputThread extends Thread {
    
    
        private Res res;

        public InputThread(Res res) {
    
    
            this.res = res;
        }

        @Override
        public void run() {
    
    
            int count = 0;
            while (true) {
    
    
                synchronized (res) {
    
    
                    if (count == 0) {
    
    
                        res.userName = "zal";
                        res.sex = '男';
                    } else {
    
    
                        res.userName = "zzal";
                        res.sex = '女';
                    }
                }
                count = (count + 1) % 2;
            }
        }
    }

    /**
     * 输出线程
     */
    class OutPutThread extends Thread {
    
    
        private Res res;

        public OutPutThread(Res res) {
    
    
            this.res = res;
        }

        @Override
        public void run() {
    
    
            while (true) {
    
    
                synchronized (res) {
    
    
                    System.out.println(res.userName + ", " + res.sex);
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
    
    
        new ThreadTest().print();
    }

    public void print() {
    
    
        // 全局对象
        Res res = new Res();
        // 输入线程
        InputThread inputThread = new InputThread(res);
        OutPutThread outPutThread = new OutPutThread(res);
        inputThread.start();
        outPutThread.start();
    }
}

我们对输入线程和输出线程的res对象都加了锁，并且锁住的是同一个对象，这下不会再出现线程安全问题了，运行截图如下：

可是又出现了新的问题，那就是输入和输出一片一片的打印，并不能实现我们输入线程输入，输出线程立马输出的功能。

出现问题的原因就是当输入线程获取锁的时候，那么输出线程就不能获取锁，就会进入阻塞状态，而当输出线程进行输出的时候，输入线程就不能输入了，所以就会出现这种现象。

最后，我们使用生产者和消费者模型进行改进代码，代码如下：

public class ThreadTest {
    
    
    class Res {
    
    
        public String userName;
        public char sex;

        /**
         * flag 标志
         *  当flag = false时，输入线程输入，输出线程等待
         *  当flag = true时，输出线程输出，输入线程等待
         */
        public boolean flag = false;
    }

    /**
     *  输入线程
     */
    class InputThread extends Thread {
    
    
        private Res res;

        public InputThread(Res res) {
    
    
            this.res = res;
        }

        @Override
        public void run() {
    
    
            int count = 0;
            while (true) {
    
    
                synchronized (res) {
    
    
                    if (res.flag) {
    
    
                        try {
    
    
                            res.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
    
    
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    if (count == 0) {
    
    
                        res.userName = "zal";
                        res.sex = '男';
                    } else {
    
    
                        res.userName = "zzal";
                        res.sex = '女';
                    }
                    // 输出线程可以输出值
                    res.flag = true;
                    // 唤醒输出线程
                    res.notify();
                }
                count = (count + 1) % 2;
            }
        }
    }

    /**
     * 输出线程
     */
    class OutPutThread extends Thread {
    
    
        private Res res;

        public OutPutThread(Res res) {
    
    
            this.res = res;
        }

        @Override
        public void run() {
    
    
            while (true) {
    
    
                synchronized (res) {
    
    
                    // 如果res.flag = false，则输出线程主动释放锁
                    // 同时会阻塞线程
                    if (!res.flag) {
    
    
                        try {
    
    
                            res.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
    
    
                            throw new RuntimeException(e);
                        }
                    }
                    System.out.println(res.userName + ", " + res.sex);
                    res.flag = false;
                    // 唤醒输出线程
                    res.notify();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
    
    
        new ThreadTest().print();
    }

    public void print() {
    
    
        // 全局对象
        Res res = new Res();
        // 输入线程
        InputThread inputThread = new InputThread(res);
        OutPutThread outPutThread = new OutPutThread(res);
        inputThread.start();
        outPutThread.start();
    }
}