Java多线程之同步
很多时候我们用多线程去操作共享资源，有可能会让共享资源出现意想不到的结果，为了避免这种情况，我们需要使用同步。
多线程的三个特性
- 原子性：线程一旦开始，就不会被其他线程干扰
- 有序性：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行
- 可见性：当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值
多线程的同步方法
- synchronized：同步方法、同步块
- lock：最常用的是ReentrantLock，可重入锁
- object.wait()和object.notify()同样能实现同步
- Volatile：修饰变量，用于同步变量
线程之间通信
其实线程之间就是通过共享数据来进行通信的，但是要保证共享数据的安全，就要想好线程安全的做法，一般是通过上面的同步放来来实现线程安全的。
synchronized的实现原理
- 获得互斥锁
- 清空工作内存
- 从主内存拷贝共享变量新的值到工作内存做副本
- 执行代码
- 将修改后副本的值刷新到主内存中
- 线程释放锁
代码
public class Thread2 {
public void m4t1() {
synchronized(this) {
int i = 5;
while( i-- > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException ie) {
}
}
}
}
public void m4t2() {
int i = 5;
while( i-- > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException ie) {
}
}
}
public static void main(String[] args) {
final Thread2 myt2 = new Thread2();
Thread t1 = new Thread( new Runnable() { public void run() { myt2.m4t1(); } }, "t1" );
Thread t2 = new Thread( new Runnable() { public void run() { myt2.m4t2(); } }, "t2" );
t1.start();
t2.start();
}
}
结果
t1 : 4
t2 : 4
t1 : 3
t2 : 3
t1 : 2
t2 : 2
t1 : 1
t2 : 1
t1 : 0
t2 : 0
lock实现原理
获得锁
- 从线程中读取表示锁状态的变量
- 如果状态为0，就改为1，如果有多个线程，只会有一个成功
- 如果修改成功就获得了锁，进入维护队列
- 如果失败，则进入等待队列并阻塞自身，此时线程一直被阻塞在lock方法中，没有从该方法中返回
- 如果表示状态的变量的值为1，那么将当前线程放入等待队列中，然后将自身阻塞（被唤醒后仍然在lock方法中，并从下一条语句继续执行，这里又会回到第1步重新开始）
注意: 唤醒并不表示线程能立刻运行，而是表示线程处于就绪状态，仅仅是可以运行而已
释放锁
- 释放锁的线程将状态变量的值从1设置为0，并唤醒等待（锁）队列中的队首节点，释放锁的线程从就从unlock方法中返回，继续执行线程后面的代码
- 被唤醒的线程（队列中的队首节点）和可能和未进入队列并且准备获取的线程竞争获取锁，重复获取锁的过程
注意：可能有多个线程同时竞争去获取锁，但是一次只能有一个线程去释放锁，队列中的节点都需要它的前一个节点将其唤醒，例如有队列A<-B-<C ，即由A释放锁时唤醒B，B释放锁时唤醒C
代码
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
/**
* Lockers
* 在多线程编程里面一个重要的概念是锁定，如果一个资源是多个线程共享的，为了保证数据的完整性，
* 在进行事务性操作时需要将共享资源锁定，这样可以保证在做事务性操作时只有一个线程能对资源进行操作，
* 从而保证数据的完整性。在5.0以前，锁定的功能是由Synchronized关键字来实现的。
*/
public class Lockers {
/**
* 测试Lock的使用。在方法中使用Lock，可以避免使用Synchronized关键字。
*/
public static class LockTest {
Lock lock = new ReentrantLock();// 锁
double value = 0d; // 值
int addtimes = 0;
/**
* 增加value的值，该方法的操作分为2步，而且相互依赖，必须实现在一个事务中
* 所以该方法必须同步，以前的做法是在方法声明中使用Synchronized关键字。
*/
public void addValue(double v) {
lock.lock();// 取得锁
System.out.println("LockTest to addValue: " + v + " "
+ System.currentTimeMillis());
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
}
this.value += v;
this.addtimes++;
lock.unlock();// 释放锁
}
public double getValue() {
return this.value;
}
}
public static void testLockTest() throws Exception{
final LockTest lockTest = new LockTest();
// 新建任务1，调用lockTest的addValue方法
Runnable task1 = new Runnable(){
public void run(){
lockTest.addValue(55.55);
}
};
// 新建任务2，调用lockTest的getValue方法
Runnable task2 = new Runnable(){
public void run(){
System.out.println("value: " + lockTest.getValue());
}
};
// 新建任务执行服务
ExecutorService cachedService = Executors.newCachedThreadPool();
Future future = null;
// 同时执行任务1三次，由于addValue方法使用了锁机制，所以，实质上会顺序执行
for (int i=0; i<3; i++){
future = cachedService.submit(task1);
}
// 等待最后一个任务1被执行完
future.get();
// 再执行任务2，输出结果
future = cachedService.submit(task2);
// 等待任务2执行完后，关闭任务执行服务
future.get();
cachedService.shutdownNow();
}
/**
* ReadWriteLock内置两个Lock，一个是读的Lock，一个是写的Lock。
* 多个线程可同时得到读的Lock，但只有一个线程能得到写的Lock，
* 而且写的Lock被锁定后，任何线程都不能得到Lock。ReadWriteLock提供的方法有：
* readLock(): 返回一个读的lock
* writeLock(): 返回一个写的lock, 此lock是排他的。
* ReadWriteLockTest很适合处理类似文件的读写操作。
* 读的时候可以同时读，但不能写；写的时候既不能同时写也不能读。
*/
public static class ReadWriteLockTest{
// 锁
ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
// 值
double value = 0d;
int addtimes = 0;
/**
* 增加value的值，不允许多个线程同时进入该方法
*/
public void addValue(double v) {
// 得到writeLock并锁定
Lock writeLock = lock.writeLock();
writeLock.lock();
System.out.println("ReadWriteLockTest to addValue: " + v + " "
+ System.currentTimeMillis());
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
}
try {
// 做写的工作
this.value += v;
this.addtimes++;
} finally {
// 释放writeLock锁
writeLock.unlock();
}
}
/**
* 获得信息。当有线程在调用addValue方法时，getInfo得到的信息可能是不正确的。
* 所以，也必须保证该方法在被调用时，没有方法在调用addValue方法。
*/
public String getInfo() {
// 得到readLock并锁定
Lock readLock = lock.readLock();
readLock.lock();
System.out.println("ReadWriteLockTest to getInfo "
+ System.currentTimeMillis());
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
}
try {
// 做读的工作
return this.value + " : " + this.addtimes;
} finally {
// 释放readLock
readLock.unlock();
}
}
}
public static void testReadWriteLockTest() throws Exception{
final ReadWriteLockTest readWriteLockTest = new ReadWriteLockTest();
// 新建任务1，调用lockTest的addValue方法
Runnable task_1 = new Runnable(){
public void run(){
readWriteLockTest.addValue(55.55);
}
};
// 新建任务2，调用lockTest的getValue方法
Runnable task_2 = new Runnable(){
public void run(){
System.out.println("info: " + readWriteLockTest.getInfo());
}
};
// 新建任务执行服务
ExecutorService cachedService_1 = Executors.newCachedThreadPool();
Future future_1 = null;
// 同时执行5个任务，其中前2个任务是task_1，后两个任务是task_2
for (int i=0; i<2; i++){
future_1 = cachedService_1.submit(task_1);
}
for (int i=0; i<2; i++){
future_1 = cachedService_1.submit(task_2);
}
// 最后一个任务是task_1
future_1 = cachedService_1.submit(task_1);
// 这5个任务的执行顺序应该是：
// 第一个task_1先执行，第二个task_1再执行；这是因为不能同时写，所以必须等。
// 然后2个task_2同时执行；这是因为在写的时候，就不能读，所以都等待写结束，
// 又因为可以同时读，所以它们同时执行
// 最后一个task_1再执行。这是因为在读的时候，也不能写，所以必须等待读结束后，才能写。
// 等待最后一个task_2被执行完
future_1.get();
cachedService_1.shutdownNow();
}
public static void main(String[] args) throws Exception{
Lockers.testLockTest();
System.out.println("---------------------");
Lockers.testReadWriteLockTest();
}
}
Volatile实现原理
Volatile主要用来修饰变量，每次被线程访问时，都强迫从主内存的共享变量中读取最新值，而每次修改变量，求强迫将最新的值刷新到主内存中。
代码
package mythread;
public class JoinThread extends Thread
{
public static volatile int n = 0 ;
public void run()
{
for ( int i = 0 ; i < 10 ; i ++ )
try
{
n = n + 1 ;
sleep( 3 ); // 为了使运行结果更随机，延迟3毫秒
}
catch (Exception e)
{
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception
{
Thread threads[] = new Thread[ 100 ];
for ( int i = 0 ; i < threads.length; i ++ )
// 建立100个线程
threads[i] = new JoinThread();
for ( int i = 0 ; i < threads.length; i ++ )
// 运行刚才建立的100个线程
threads[i].start();
for ( int i = 0 ; i < threads.length; i ++ )
// 100个线程都执行完后继续
threads[i].join();
System.out.println( " n= " + JoinThread.n);
}
}
保证多线程三个特性的方法
- 保证原子性：Lock、Synchronized
- 保证可见性：Lock、Synchronized、Volatile
- 保证顺序性：Lock、Synchronized、Volatile
为何Volatile不能保证原子性？
例如：i++，这个可以分为三个操作
1. 获取i的值
2. 值+1
3. 最后把值付给i
如果有两个线程执行，就会这样
Thread1 Thread2 r1 = i; r3 = i; r2 = r1 + 1; r4 = r3 + 1; i = r2; i = r4;
这样会造成的问题就是 r1, r3读到的值都是 0, 最后两个线程都将 1 写入 i, 最后 i 等于 1, 但是却进行了两次自增操作
注意：可以用atomic代替Volatile
Synchronized和Lock的区别
- Lock会跟灵活，用lcok()加锁，用unLock()解锁；Synchronized是关键字，用来修饰同步方法和同步块
- Lock可以超时放弃等待
- Lock需要我们手动释放锁，Synchronized不需要
- Lock是公平锁，按照申请锁的顺序获得锁
Synchronized和Volatile的区别
- Volatile不要同步操作，所以效率高，不会阻塞线程，但由于不能保证原子性，所以使用情况比较窄
- Synchronized既能保证共享数据的可见性，又能保证其原子性
- Volatile读变量相当于加锁（进入Synchronized块），写变量相当于解锁（退出Synchronized块）
保证线程可见性的关键
- 线程工作内存中的副本，怎样更新到主内存中
- 其他线程，怎样能够将主内存中的共享数据更新到自己的工作内存中