Java 多線程同步的五種方法

一、引言

前幾天面試，被大師虐殘了，好多基礎知識必須得重新拿起來啊。閑話不多說，進入正題。

二、為什么要線程同步

因為當我們有多個線程要同時訪問一個變量或對象時，如果這些線程中既有讀又有寫操作時，就會導致變量值或對象的狀態出現混亂，從而導致程序異常。舉個例子，如果一個銀行賬戶同時被兩個線程操作，一個取100塊，一個存錢100塊。假設賬戶原本有0塊，如果取錢線程和存錢線程同時發生，會出現什么結果呢？取錢不成功，賬戶余額是100.取錢成功了，賬戶余額是0.那到底是哪個呢？很難說清楚。因此多線程同步就是要解決這個問題。

三、不同步時的代碼

Bank.java

package threadTest;

/**

@author ww 
*/

public class Bank {
private int count =0;//賬戶余額
//存錢

 public  void addMoney(int money){

 count +=money;  
 System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存進："+money);  

}
//取錢

 public  void subMoney(int money){

 if(count-money < 0){  
     System.out.println("余額不足");  
     return;  
 }  
 count -=money;  
 System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);  

}
//查詢

 public void lookMoney(){

 System.out.println("賬戶余額："+count);  

}

}</code></pre> 
SyncThreadTest.java
 
package threadTest;



public class SyncThreadTest {

public static void main(String args[]){  
    final Bank bank=new Bank();  

    Thread tadd=new Thread(new Runnable() {  

        @Override  
        public void run() {  
            // TODO Auto-generated method stub  
            while(true){  
                try {  
                    Thread.sleep(1000);  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    // TODO Auto-generated catch block  
                    e.printStackTrace();  
                }  
                bank.addMoney(100);  
                bank.lookMoney();  
                System.out.println("\n");  

            }  
        }  
    });  

    Thread tsub = new Thread(new Runnable() {  

        @Override  
        public void run() {  
            // TODO Auto-generated method stub  
            while(true){  
                bank.subMoney(100);  
                bank.lookMoney();  
                System.out.println("\n");  
                try {  
                    Thread.sleep(1000);  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    // TODO Auto-generated catch block  
                    e.printStackTrace();  
                }     
            }  
        }  
    });  
    tsub.start();  

    tadd.start();  
}  


}</code></pre> 
  
代碼很簡單，我就不解釋了，看看運行結果怎樣呢？截取了其中的一部分，是不是很亂，有寫看不懂。
 
  
余額不足

賬戶余額：0

余額不足

賬戶余額：100
1441790503354存進：100

賬戶余額：100
1441790504354存進：100

賬戶余額：100
1441790504354取出：100

賬戶余額：100
1441790505355存進：100

賬戶余額：100
1441790505355取出：100

賬戶余額：100</code></pre> 
  
四、使用同步時的代碼
 
  
（1）同步方法：
 
  
即有synchronized關鍵字修飾的方法。 由于java的每個對象都有一個內置鎖，當用此關鍵字修飾方法時，內置鎖會保護整個方法。在調用該方法前，需要獲得內置鎖，否則就處于阻塞狀態。
 
  
修改后的Bank.java
 
  
package threadTest;

/**

@author ww 
*/

public class Bank {
private int count =0;//賬戶余額
//存錢

 public  synchronized void addMoney(int money){

 count +=money;  
 System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存進："+money);  

}
//取錢

 public  synchronized void subMoney(int money){

 if(count-money < 0){  
     System.out.println("余額不足");  
     return;  
 }  
 count -=money;  
 System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);  

}
//查詢

 public void lookMoney(){

 System.out.println("賬戶余額："+count);  

}

}</code></pre> 
再看看運行結果：
 
余額不足

賬戶余額：0



余額不足

賬戶余額：0
1441790837380存進：100

賬戶余額：100
1441790838380取出：100

賬戶余額：0

1441790838380存進：100

賬戶余額：100
1441790839381取出：100

賬戶余額：0</code></pre> 
  
瞬間感覺可以理解了吧。
 
  
注： synchronized關鍵字也可以修飾靜態方法，此時如果調用該靜態方法，將會鎖住整個類
 
  
（2）同步代碼塊
 
  
即有synchronized關鍵字修飾的語句塊。被該關鍵字修飾的語句塊會自動被加上內置鎖，從而實現同步
 
  
Bank.java代碼如下：
 
  
package threadTest;

/**

@author ww 
*/

public class Bank {
private int count =0;//賬戶余額
//存錢

 public   void addMoney(int money){

 synchronized (this) {  
     count +=money;  
 }  
 System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存進："+money);  

}
//取錢

 public   void subMoney(int money){

 synchronized (this) {  
     if(count-money < 0){  
         System.out.println("余額不足");  
         return;  
     }  
     count -=money;  
 }  
 System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);  

}
//查詢

 public void lookMoney(){

 System.out.println("賬戶余額："+count);  

}

}</code></pre> 
運行結果如下：
 
余額不足

賬戶余額：0



1441791806699存進：100

賬戶余額：100
1441791806700取出：100

賬戶余額：0
1441791807699存進：100

賬戶余額：100</code></pre> 
  
效果和方法一差不多。
 
  
注：同步是一種高開銷的操作，因此應該盡量減少同步的內容。通常沒有必要同步整個方法，使用synchronized代碼塊同步關鍵代碼即可。
 
  
（3）使用特殊域變量( Volatile )實現線程同步
 
  
a.volatile關鍵字為域變量的訪問提供了一種免鎖機制
 
  
b.使用volatile修飾域相當于告訴虛擬機該域可能會被其他線程更新
 
  
c.因此每次使用該域就要重新計算，而不是使用寄存器中的值
 
  
d.volatile不會提供任何原子操作，它也不能用來修飾final類型的變量
 
  
Bank.java代碼如下：
 
  
package threadTest;

/**

@author ww 
*/

public class Bank {
private volatile int count = 0;// 賬戶余額
// 存錢

 public void addMoney(int money) {

 count += money;  
 System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存進：" + money);  

}
// 取錢

 public void subMoney(int money) {

 if (count - money < 0) {  
     System.out.println("余額不足");  
     return;  
 }  
 count -= money;  
 System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money);  

}
// 查詢

 public void lookMoney() {

 System.out.println("賬戶余額：" + count);  

}

}</code></pre> 
運行效果怎樣呢？
 
余額不足

賬戶余額：0



余額不足

賬戶余額：100
1441792010959存進：100

賬戶余額：100
1441792011960取出：100

賬戶余額：0
1441792011961存進：100

賬戶余額：100</code></pre> 
  
是不是又看不懂了，又亂了。這是為什么呢？就是因為volatile不能保證原子操作導致的，因此volatile不能代替synchronized。此外volatile會組織編譯器對代碼優化，因此能不使用它就不適用它吧。它的原理是每次要線程要訪問volatile修飾的變量時都是從內存中讀取，而不是存緩存當中讀取，因此每個線程訪問到的變量值都是一樣的。這樣就保證了同步。
 
  
（4）使用重入鎖實現線程同步
 
  
在JavaSE5.0中新增了一個java.util.concurrent包來支持同步。ReentrantLock類是可重入、互斥、實現了Lock接口的鎖， 它與使用synchronized方法和快具有相同的基本行為和語義，并且擴展了其能力。
 
  
ReenreantLock類的常用方法有：
 
  
ReentrantLock() : 創建一個ReentrantLock實例
 
  
lock() : 獲得鎖
 
  
unlock() : 釋放鎖
 
  
注：ReentrantLock()還有一個可以創建公平鎖的構造方法，但由于能大幅度降低程序運行效率，不推薦使用
 
  
Bank.java代碼修改如下：
 
  
package threadTest;

import java.util.concurrent.locks.Lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**

@author ww 
*/

public class Bank {
private  int count = 0;// 賬戶余額
//需要聲明這個鎖

 private Lock lock = new ReentrantLock();
// 存錢

 public void addMoney(int money) {

 lock.lock();//上鎖  
 try{  
 count += money;  
 System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存進：" + money);  

 }finally{  
     lock.unlock();//解鎖  
 }  

}
// 取錢

 public void subMoney(int money) {

 lock.lock();  
 try{  

 if (count - money < 0) {  
     System.out.println("余額不足");  
     return;  
 }  
 count -= money;  
 System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money);  
 }finally{  
     lock.unlock();  
 }  

}
// 查詢

 public void lookMoney() {

 System.out.println("賬戶余額：" + count);  

}

}</code></pre> 
運行效果怎么樣呢？
 
余額不足

賬戶余額：0



余額不足

賬戶余額：0
1441792891934存進：100

賬戶余額：100
1441792892935存進：100

賬戶余額：200
1441792892954取出：100

賬戶余額：100</code></pre> 
  
效果和前兩種方法差不多。
 
  
如果synchronized關鍵字能滿足用戶的需求，就用synchronized，因為它能簡化代碼 。如果需要更高級的功能，就用ReentrantLock類，此時要注意及時釋放鎖，否則會出現死鎖，通常在finally代碼釋放鎖
 
  
（5）使用局部變量實現線程同步
 
  
Bank.java代碼如下：
 
  
package threadTest;

/**

@author ww 
*/

public class Bank {
private static ThreadLocal<Integer> count = new ThreadLocal<Integer>(){

 @Override  
 protected Integer initialValue() {  
     // TODO Auto-generated method stub  
     return 0;  
 }  


};
// 存錢

 public void addMoney(int money) {

 count.set(count.get()+money);  
 System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存進：" + money);  


}
// 取錢

 public void subMoney(int money) {

 if (count.get() - money < 0) {  
     System.out.println("余額不足");  
     return;  
 }  
 count.set(count.get()- money);  
 System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money);  

}
// 查詢

 public void lookMoney() {

 System.out.println("賬戶余額：" + count.get());  

}

}</code></pre> 
運行效果：
 
余額不足

賬戶余額：0



余額不足

賬戶余額：0
1441794247939存進：100

賬戶余額：100
余額不足

1441794248940存進：100

賬戶余額：0
賬戶余額：200
余額不足

賬戶余額：0
1441794249941存進：100

賬戶余額：300</code></pre> 
  
看了運行效果，一開始一頭霧水，怎么只讓存，不讓取啊？看看 ThreadLocal 的原理：
 
  
如果使用ThreadLocal管理變量，則每一個使用該變量的線程都獲得該變量的副本，副本之間相互獨立，這樣每一個線程都可以隨意修改自己的變量副本，而不會對其他線程產生影響。現在明白了吧，原來每個線程運行的都是一個副本，也就是說存錢和取錢是兩個賬戶，知識名字相同而已。所以就會發生上面的效果。
 
  
ThreadLocal與同步機制
 
  
a.ThreadLocal與同步機制都是為了解決多線程中相同變量的訪問沖突問題
 
  
b.前者采用以”空間換時間”的方法，后者采用以”時間換空間”的方式
 
  
現在都明白了吧。各有優劣，各有適用場景。收工，吃飯去了。
 
  
 
 
  
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