Java多线程之线程同步机制（锁，线程池等等）

一、概念

1、并发

同一个对象被多个线程同时操作

2、起因

处理多线程问题时，多个线程访问同一个对象，并且某些线程还想修改这个对象，就需要线程同步，线程同步其实就是一种等待机制，多个需要同时访问此对象的线程进入这个对象的等待池形成队列，等待前面线程使用完毕，下一个线程再使用。但由于同一进程的多个线程共享同一块存储空间，在带来方便的同时，也带来了访问冲突问题，为了保证数据在方法中被访问时的正确性，所以在此基础上，增加锁机制。

3、缺点

一个线程持有锁会导致其他所有需要此锁的线程挂起。
（1）在多线程竞争下，加锁，释放锁会导致比较多的上下文切换 和 调度延时，引起性能问题。
（2）如果一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁 会导致优先级倒置，引起性能问题。

二、三大不安全案例

1、样例一（模拟买票场景）

多个线程并发时，不设计好队列，结果就会出现不安全的情况，出现了-1

package com.example.multithreading.demo12_syn;

// 线程不安全，有负数
public class UnsafeBuyTicket {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        BuyTicket station = new BuyTicket();

        new Thread(station, "自己").start();
        new Thread(station, "其他人").start();
        new Thread(station, "黄牛").start();
    }

}

class BuyTicket implements Runnable{
    
    

    // 票
    private int ticketNums = 10;
    // 外部停止方式
    boolean flag = true;

    @Override
    public void run() {
    
    
        // 买票
        while(flag) {
    
    
            try {
    
    
                buy();
            } catch (InterruptedException e) {
    
    
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private void buy() throws InterruptedException {
    
    
        // 判断是否有票
        if (ticketNums <= 0){
    
    
            flag = false;
            return;
        }
        // 模拟延时
        Thread.sleep(100);

        // 买票
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到" + ticketNums--);
    }
}

结果

2、样例二（模拟取钱场景）

package com.example.multithreading.demo12_syn;

import lombok.Data;

public class UnsafeBank {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        // 账户
        Account account = new Account(100,"基金");

        Drawing boy = new Drawing(account,50,"自己");
        Drawing girlFriend = new Drawing(account,100,"女朋友");

        boy.start();
        girlFriend.start();
    }
}

// 账户
@Data
class Account {
    
    
    // 余额
    int money;
    // 卡名
    String name;

    public Account(int money, String name) {
    
    
        this.money = money;
        this.name = name;
    }
}

// 模拟取钱
@Data
class Drawing extends Thread{
    
    
    // 账户
    Account account;
    // 取钱数
    int drawingMoney;
    // 持有钱数
    int nowMoney;

    public Drawing(Account account, int drawingMoney, String name) {
    
    
        super(name);
        this.account = account;
        this.drawingMoney = drawingMoney;
        this.nowMoney = nowMoney;
    }

    @Override
    public void run() {
    
    
        // 判断是否有钱
        if (account.money - drawingMoney < 0){
    
    
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "钱不够，取不了");
            return;
        }

        try{
    
    
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }

        // 卡内余额 = 余额 - 取的钱
        account.money = account.money - drawingMoney;
        // 你手里的钱
        nowMoney = nowMoney + drawingMoney;

        System.out.println(account.name + "余额为：" + account.money);
        System.out.println(this.getName() + "手里的钱：" + nowMoney);
    }
}

结果

3、样例三（模拟集合）

package com.example.multithreading.demo12_syn;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

// 线程不安全的集合
public class UnsafeList {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        List<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    
    
            new Thread(()->{
    
    
                list.add(Thread.currentThread().getName());
            }).start();
        }

        System.out.println(list.size());
    }
}

结果（真正应该为1000）

三、同步方法及同步块

1、同步方法

由于可以通过private关键字来保证数据对象只能被方法访问，所以只需要针对方法提出一套机制，这套机制就是synchronized关键字。两种用法（synchronized方法 和 synchronized块）

public synchronized void method(int args){
    
    }

synchronized方法控制对 “对象” 的访问，每个对象对应一把锁，每个synchronized方法都必须获得调用该方法的对象的锁才能执行，否则线程会阻塞，方法一旦执行，就独占该锁，直到该方法返回才释放锁，后面被阻塞的线程才能获得这个锁，继续执行。（缺点：如果将一个大的方法申明为synchronized 将会影响效率）

2、同步块

（1）格式

synchronized(obj){
    
    }

（2）Obj称之为同步监视器
Obj可以是任何对象，但是推荐使用共享资源作为同步监视器
同步方法中无需指定同步监视器，因为同步方法的同步监视器就是this，就是这个对象本身。
（3）同步监视器的执行过程
第一个线程访问，锁定同步监视器，执行其中代码。
第二个线程访问，发现同步监视器被锁定，无法访问。
第一个线程访问完毕，解锁同步监视器。
第二个线程访问，发现同步监视器没有锁，然后锁定并访问。

四、JUC安全类型的集合

1、线程安全的集合(结合延时实现)

CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

2、样例

package com.example.multithreading.demo12_syn;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

// 线程不安全的集合
public class UnsafeList {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    
    
            new Thread(()->{
    
    
                list.add(Thread.currentThread().getName());
            }).start();
        }

        try{
    
    
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(list.size());
    }
}

结果

五、死锁

1、概念

多线程各自占有一些共享资源，并且互相等待其他线程占有的资源才能运行，而导致两个或者多个线程都在等待对方释放资源，都停止执行的情形。某一个同步块同时拥有”两个以上对象的锁“时，就可能会发生”死锁“的问题。

2、死锁样例

package com.example.multithreading.demo13_DeadLock;

// 死锁：多个线程互相占有需要的资源，然后形成僵持
public class DeadLock {
    
    

    public static void main(String[] args) {
    
    
        Makeup g1 = new Makeup(0,"张三");
        Makeup g2 = new Makeup(1,"李四");

        g1.start();
        g2.start();
    }
}

class Lipstick {
    
    

}

class Mirror {
    
    

}

class Makeup extends Thread {
    
    
    // 需要的资源只有一份，用static来保证只有一份
    static Lipstick lipstick = new Lipstick();
    static Mirror mirror = new Mirror();

    // 选择
    int choice;
    // 女孩
    String girlName;

    Makeup(int choice, String girlName) {
    
    
        this.choice = choice;
        this.girlName = girlName;
    }

    @Override
    public void run() {
    
    
        try {
    
    
            makeup();
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    private void makeup() throws InterruptedException {
    
    
        if (choice == 0){
    
    
            synchronized (lipstick){
    
    
                System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");
                Thread.sleep(1000);

                synchronized (mirror){
    
    
                    System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
                }
            }
        } else{
    
    
            synchronized (mirror){
    
    
                System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
                Thread.sleep(2000);

                synchronized (lipstick){
    
    
                    System.out.println(this.girlName + "获得看口红的锁");
                }
            }
        }
    }
}

结果（会卡死在这里）

3、解决方案

package com.example.multithreading.demo13_DeadLock;

// 死锁：多个线程互相占有需要的资源，然后形成僵持
public class DeadLock {
    
    

    public static void main(String[] args) {
    
    
        Makeup g1 = new Makeup(0,"张三");
        Makeup g2 = new Makeup(1,"李四");

        g1.start();
        g2.start();
    }
}

class Lipstick {
    
    

}

class Mirror {
    
    

}

class Makeup extends Thread {
    
    
    // 需要的资源只有一份，用static来保证只有一份
    static Lipstick lipstick = new Lipstick();
    static Mirror mirror = new Mirror();

    // 选择
    int choice;
    // 女孩
    String girlName;

    Makeup(int choice, String girlName) {
    
    
        this.choice = choice;
        this.girlName = girlName;
    }

    @Override
    public void run() {
    
    
        try {
    
    
            makeup();
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    private void makeup() throws InterruptedException {
    
    
        if (choice == 0){
    
    
            synchronized (lipstick){
    
    
                System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");
                Thread.sleep(1000);
            }
            synchronized (mirror){
    
    
                System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
            }
        } else{
    
    
            synchronized (mirror){
    
    
                System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
                Thread.sleep(2000);
            }
            synchronized (lipstick){
    
    
                System.out.println(this.girlName + "获得看口红的锁");
            }
        }
    }
}

结果

4、产生死锁的四个必要条件

（1）互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。
（2）请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
（3）不剥夺条件：进程已获得的资源，在未使用完之前，不能强行剥夺。
（4）循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
破坏其中的任意一个或多个条件就可以避免死锁的发生。

六、Lock(锁)

1、概念

从JDK5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制——通过显式定义同步锁对象来实现同步，同步锁使用Lock对象充当。
java.util.concurrent.locks.Lock接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。
锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一-个线程对L ock对象加锁，线程开始访问共享资源之前应先获得L ock对象。
ReentrantLock 类实现了Lock，它拥有与synchronized相同的并发性和内存语义，在实现线程安全的控制中，比较常用的是ReentrantLock,可以显式加锁、释放锁。

2、synchronized 与 Lock的对比

（1）Lock是显式锁（手动开启和关闭锁），synchronized是隐式锁，出了作用域自动释放。
（2）Lock只有代码块锁，synchronized有代码块锁和方法锁。
（3）使用Lock锁，JVM将花费较少的时间来调度线程，性能更好。并且具有更好的扩展性（提供更多的子类）
优先使用的顺序
Lock > 同步代码块 （已经进入了方法体，分配了相应资源） > 同步方法（在方法体之外）

3、样例

package com.example.multithreading.demo14_Lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockTest {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        TicketLock threadTest1 = new TicketLock();

        new Thread(threadTest1).start();
        new Thread(threadTest1).start();
        new Thread(threadTest1).start();
    }
}

class TicketLock implements Runnable{
    
    

    int ticketNums = 10;

    // 定义lock锁
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
    
    
        while (true) {
    
    
            try{
    
    
                // 加锁
                lock.lock();
                if(ticketNums > 0){
    
    
                    try {
    
    
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
    
    
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                    System.out.println(ticketNums--);
                }else {
    
    
                    break;
                }
            }finally {
    
    
                // 解锁
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

结果

七、线程协作

1、管程法

生产者：负责生产数据的模块（可能是方法、对象、线程、进程）
消费者：负责处理数据的模块（可能是方法、对象、线程、进程）
缓冲区：消费者不能直接使用生产者的数据，两者之间有个缓冲区。
生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据。

package com.example.multithreading.demo15_PC;

import java.beans.Customizer;

// 管程法
// 生产者，消费者，产品，缓冲区
public class PcTest {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        SynContainer container = new SynContainer();
        new Productor(container).start();
        new Consumer(container).start();
    }
}

// 生产者
class Productor extends Thread{
    
    
    SynContainer container;

    public Productor(SynContainer container){
    
    
        this.container = container;
    }

    // 生产
    @Override
    public void run(){
    
    
        for(int i = 0; i < 100; i++){
    
    
            container.push(new Chicken(i));
            System.out.println("生产了->第" + i + "只鸡");
        }
    }
}

// 消费者
class Consumer extends Thread{
    
    
     SynContainer container;

     public Consumer(SynContainer container){
    
    
         this.container = container;
     }

    // 消费
    @Override
    public void run(){
    
    
         for(int i = 0; i < 100; i++){
    
    
             System.out.println("消费了---->第" + container.pop().id + "只鸡");
         }
    }
}

// 产品
class Chicken{
    
    
    // 产品编号
    int id;

    public Chicken(int id) {
    
    
        this.id = id;
    }
}

// 缓冲区
class SynContainer {
    
    

    // 需要一个容器大小
    Chicken[] chickens = new Chicken[10];

    // 容器计数器
    int count = 0;

    // 生产者放入产品
    public synchronized void push(Chicken chicken){
    
    
        // 如果容器满了，就需要等待消费者消费
        if (count == chickens.length){
    
    
            // 通知消费者消费，生产等待
            try {
    
    
                this.wait();
            }catch (InterruptedException e) {
    
    
                e.printStackTrace();
            }
        }

        // 如果没有满，我们就需要丢入产品
        chickens[count] = chicken;
        count++;

        // 可以通知消费者消费了
        this.notifyAll();
    }

    // 消费者消费产品
    public synchronized Chicken pop(){
    
    
        // 判断能否消费
        if (count == 0){
    
    
            // 等待生产者生产，消费者等待
            try{
    
    
                this.wait();
            }catch (InterruptedException e){
    
    
                e.printStackTrace();
            }
        }

        // 如果可以消费
        count--;
        Chicken chicken = chickens[count];

        // 吃完了，通知生产者生产
        this.notifyAll();

        return chicken;
    }


}

结果

2、信号灯法

通过标志位控制

package com.example.multithreading.demo15_PC;

// 信号灯法，标志位解决
public class PcTest2 {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        TV tv = new TV();
        new Player(tv).start();
        new Watcher(tv).start();
    }
}

// 生产者 --> 演员
class Player extends Thread{
    
    
    TV tv;
    public Player(TV tv) {
    
    
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void run() {
    
    
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
    
    
            if(i%2==0){
    
    
                this.tv.play("电视剧");
            } else{
    
    
                this.tv.play("电影");
            }
        }
    }
}

// 消费者 --> 观众
class Watcher extends Thread{
    
    
    TV tv;
    public Watcher(TV tv) {
    
    
        this.tv = tv;
    }
    @Override
    public void run() {
    
    
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
    
    
            tv.watch();
        }
    }
}

// 产品 --> 节目
class TV{
    
    
    // 演员表演，观众等待 T
    // 观众观看，演员等待 F
    // 表演的节目
    String voice;
    // 表演的节目
    boolean flag = true;

    // 表演
    public synchronized void play(String voice){
    
    
        if (!flag){
    
    
            try{
    
    
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
    
    
                e.printStackTrace();
            }
        }

        System.out.println("演员表演了:" + voice);
        // 通知观众观看
        // 通知唤醒
        this.notifyAll();
        this.voice = voice;
        this.flag = false;
    }

    // 观看
    public synchronized void watch(){
    
    
        if(flag){
    
    
            try{
    
    
                this.wait();
            }catch (InterruptedException e){
    
    
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("观看了：" + voice);
        // 通知演员表演
        this.notifyAll();
        this.flag = !this.flag;
    }
}

结果

3、线程池

3.1 背景

经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大。

3.2 思路

提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。

3.3 好处

（1）提高响应速度（减少了创建新线程的时间）
（2）降低资源消耗（重复利用线程池中线程，不需要每次都创建）
（3）便于线程管理
corePoolSize：核心池的大小
maximumPoolSize：最大线程数
keepAliveTime：线程没有任务时最多保持多长时间后会终止

3.4 ExecutorService和Executors

ExecutorService：真正的线程池接口（常见子类ThreadPoolExecutor）
void execute(Runnable command)：执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行Runnable。
Future submit(Callable task)：执行任务,有返回值，一般用来执行Callable。
void shutdown() ：关闭连接池。
Executors：工具类、线程池的工厂类，用于创建并返回不同类型的线程池。

3.5 样例

package com.example.multithreading.demo16_Pool;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

// 测试线程池
public class PoolTest {
    
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
    
    
        // 1、创建服务，创建线程池
        // newFixedThreadPool 参数为：线程池大小
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);

        // 执行
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());

        // 2、关闭链接
        service.shutdown();
    }
}

class MyThread implements Runnable {
    
    

    @Override
    public void run() {
    
    
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

结果