Java并發編程之線程同步

lemon 發布于2019-08-14 15:57 / 3377人閱讀

摘要：變量對所有的線程都是可見的，對變量所有的寫操作都能立即反應到其他線程之中，即變量在各個線程中是一致的。因為該在釋放等待線程后可以重用，所有稱為循環的。

線程安全就是防止某個對象或者值在多個線程中被修改而導致的數據不一致問題，因此我們就需要通過同步機制保證在同一時刻只有一個線程能夠訪問到該對象或數據，修改數據完畢之后，再將最新數據同步到主存中，使得其他線程都能夠得到這個最新數據。下面我們就來了解Java一些基本的同步機制。

volatile關鍵字

Java提供了一種稍弱的同步機制即volatile變量，用來確保將變量的更新操作通知到其他線程。當把變量聲明為volatile類型后，編譯器與運行時都會注意到這個變量是共享的。然而，在訪問volatile變量時不會執行加鎖操作，因此也就不會使線程阻塞，因此volatile變量是一種比synchronized關鍵字更輕量級的同步機制。

volatile變量對所有的線程都是可見的，對volatile變量所有的寫操作都能立即反應到其他線程之中，即volatile變量在各個線程中是一致的。

有一種情況需要注意：volatile的語義不能確保遞增（count++）的原子性，除非你能確保只有一個線程對變量執行寫操作。

public class VolatileTest{
    
    public static volatile int  i;

    public static void increase(){
        i++;
    }
}

查看字節碼: javap -c -l VolatileTest.class

public class VolatileTest {
  public static volatile int i;
 
  public VolatileTest();
    Code:
       0: aload_0       
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
       4: return        
    LineNumberTable:
      line 1: 0
 
  public static void increase();
    Code:
       0: getstatic     #2                  // Field i:I, 把i的值取到了操作棧頂,volatile保證了i值此時是正確的. 
       3: iconst_1      
       4: iadd                              // increase,但其他線程此時可能已經把i值加大了好多
       5: putstatic     #2                  // Field i:I ,把這個已經out of date的i值同步回主內存中,i值被破壞了.
       8: return        
    LineNumberTable:
      line 6: 0
      line 7: 8
}

加鎖機制即可以確保原子性又可以確?？梢娦?，而volatile變量只能確?？梢娦?。

內置鎖-synchronized

Java中最常用的同步機制就是synchronized關鍵字，它是一種基于語言的粗略鎖，能夠作用于對象、函數、Class。每個對象都只有一個鎖，誰能夠拿到這個鎖誰就得到了訪問權限。當synchronized作用于函數時，實際上鎖的也是對象，鎖定的對象是該函數所在類的對象。而synchronized作用于Class時則鎖的是這個Class類，并非某個具體對象。

synchronized同步方法和同步塊

public class SynchronizedDemo {
    
    
    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        final Test test = new Test();

        new Thread(new Runnable() {
            
            @Override
            public void run() {
                // TODO Auto-generated method stub
                test.syncMethod(Thread.currentThread());
                
            }
        }).start();
        
        new Thread(new Runnable() {
            
            @Override
            public void run() {
                // TODO Auto-generated method stub
                test.syncMethod(Thread.currentThread());
            }
        }).start();
        
        new Thread(new Runnable() {
            
            @Override
            public void run() {
                // TODO Auto-generated method stub
                test.asyncMethod(Thread.currentThread());
            }
        }).start();
        
    }
}

class Test {
    
    public synchronized void syncMethod(Thread thread) {
        for(int i = 0;i < 3;i++) {
            System.out.println(thread.getName());
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    
    public void asyncMethod(Thread thread) {
        
        synchronized (this) {
            
            for(int i = 0;i < 3;i++) {
                System.out.println(thread.getName()+2);
            }
        }
    }
}

syncMethod和asyncMethod代碼塊都加鎖時結果:

Thread-0
Thread-0
Thread-0
Thread-1
Thread-1
Thread-1
Thread-2
Thread-2
Thread-2  #多個線程不能同時訪問同一個對象中的synchronized鎖的方法或代碼塊

syncMethod加鎖和asyncMethod代碼塊不加鎖時結果:

class Test {
    
    public synchronized void syncMethod(Thread thread) {
        for(int i = 0;i < 3;i++) {
            System.out.println(thread.getName());
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    
    public void asyncMethod(Thread thread) {
        
        synchronized (this) {
            
            for(int i = 0;i < 3;i++) {
                System.out.println(thread.getName());
            }
        }
    }
}

Thread-0
Thread-22
Thread-22
Thread-22
Thread-0
Thread-0
Thread-1
Thread-1
Thread-1  #其他線程可以訪問同一個對象的非同步方法或代碼塊

syncMethod不加鎖和asyncMethod代碼塊不加鎖時結果:

class Test {
    
    public void syncMethod(Thread thread) {
        for(int i = 0;i < 3;i++) {
            System.out.println(thread.getName());
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    
    public void asyncMethod(Thread thread) {
        
            for(int i = 0;i < 3;i++) {
                System.out.println(thread.getName()+2);
            }
    }
}

Thread-0
Thread-1
Thread-22
Thread-22
Thread-22
Thread-0
Thread-1
Thread-1
Thread-0

synchronized同步方法和同步塊鎖定的是引用對象，synchronized作用于引用對象是防止其他線程訪問同一個對象的synchronized代碼塊或方法，但可以訪問其他非同步代碼塊或方法。

synchronized同步Class對象和靜態方法

public class SynchronizedDemo {

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        final Test test = new Test();

        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                // TODO Auto-generated method stub
                Test.syncStaticMethod(Thread.currentThread());

            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                // TODO Auto-generated method stub
                Test.syncStaticMethod(Thread.currentThread());
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                // TODO Auto-generated method stub
                Test.asyncStaticMethod(Thread.currentThread());
            }
        }).start();

    }
}

class Test {

    public synchronized static void syncStaticMethod(Thread thread) {

        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            System.out.println(thread.getName());
            try {
                Thread.sleep(50);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void asyncStaticMethod(Thread thread) {

        synchronized (Test.class) {
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                System.out.println(thread.getName() + 22);
                try {
                    Thread.sleep(50);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

    }
}
syncStaticMethod和asyncStaticMethod代碼塊都加鎖的結果:

Thread-0
Thread-0
Thread-0
Thread-222
Thread-222
Thread-222
Thread-1
Thread-1
Thread-1  ##多個線程不能同時訪問添加了synchronized鎖的代碼塊和方法。

syncStaticMethod加鎖和asyncStaticMethod代碼塊不加鎖的結果:

class Test {

    public synchronized static void syncStaticMethod(Thread thread) {

        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            System.out.println(thread.getName());
            try {
                Thread.sleep(50);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void asyncStaticMethod(Thread thread) {

            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                System.out.println(thread.getName() + 22);
                try {
                    Thread.sleep(50);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
    }
}

Thread-0
Thread-222
Thread-222
Thread-0
Thread-0
Thread-222
Thread-1
Thread-1
Thread-1 ##多個線程可以同時訪問非同步的代碼塊和方法

syncStaticMethod加鎖和asyncStaticMethod代碼塊都不加鎖的結果:

class Test {

    public static void syncStaticMethod(Thread thread) {

        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            System.out.println(thread.getName());
            try {
                Thread.sleep(50);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void asyncStaticMethod(Thread thread) {

            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                System.out.println(thread.getName() + 22);
                try {
                    Thread.sleep(50);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
    }
}

Thread-0
Thread-1
Thread-222
Thread-1
Thread-0
Thread-222
Thread-1
Thread-0
Thread-222

synchronized同步Class對象和靜態方法鎖的是Class對象，它的作用是防止多個線程同時訪問添加了synchronized鎖的代碼塊和方法。

總結

當一個線程正在訪問一個對象的synchronized方法，那么其他線程不能訪問該對象的其他synchronized方法，因為一個對象只有一把鎖，當一個線程獲取了該對象的鎖之后，其他線程無法獲取該對象的鎖，所有無法訪問該對象的其他synchronized方法。

當一個線程正在訪問一個對象的synchronized方法，那么其他線程能訪問該對象的非synchronized方法。因為非synchronized方法不需要獲取該對象的鎖。

如果一個線程A需要訪問對象object1的synchronized方法fun1，另外一個線程B需要訪問對象object2的synchronized方法fun1，即使object1和object2是同一類型，也不會產生線程安全問題，因為他們訪問的是不同的對象，所以不存在互斥問題。

如果一個線程執行一個對象的非static synchronized方法，另一個線程執行這個對象所屬類的static synchronized方法，此時不會發生互斥現象，因為訪問static synchronized方法占用的是類鎖，而訪問非static synchronized方法占用的是對象鎖，所以不存在互斥現象。

需要注意的是：對于synchronized方法或者synchronized代碼塊，當出現異常時，JVM會自動釋放當前線程占用的鎖，因此不會由于異常導致出現死鎖現象。

顯示鎖-ReentrantLock與Condition ReentrantLock

在JDk 5.0之前，協調共享對象的訪問時，只有synchronized和volatile。Java 6.0增加了一種新的機制：ReentrantLock。顯示鎖ReentrantLock和內置鎖synchronized相比，實現了相同的語義，但是具有更高的靈活性。

內置鎖synchronized的獲取和釋放都在同一個代碼塊中，而顯示鎖ReentrantLock則可以將鎖的獲得和釋放分開。同時顯示鎖可以提供輪訓鎖和定時鎖，同時可以提供公平鎖或者非公平鎖。

ReentrantLock的基本操作如下：

函數	作用
lock()	獲取鎖
tryLock()	嘗試獲取鎖
tryLock(timeout,Timeunit unit)	在指定時間內嘗試獲取鎖
unLock()	釋放鎖
newCondition	獲取鎖的Condition

使用ReentrantLock的一般是lock、tryLock與unLock成對出現，需要注意的是，千萬不要忘記調用unLock來釋放鎖，否則會引發死鎖等問題。

ReentrantLock的常用形式如下所示：

Lock lock = new ReentrantLock();

public void run() {

    lock.lock();

    try {

        //執行任務

    } finally {

        lock.unlock();
    }
}

需要注意的是，lock必須在finally塊中釋放，否則，如果受保護的代碼塊拋出異常，鎖就有可能永遠得不到釋放。而使用synchronized同步，JVM將確保鎖會獲得自動釋放，這也是Lock沒有完全替代掉synchronized的原因。

當JVM用synchronized管理鎖定請求和釋放行為時，JVM在生成線程轉儲時能夠包括鎖定信息，這些對調式有非常大的價值，因為它們能標識死鎖和其他異常行為的來源。Lock類只是普通的類，JVM不知道具體哪個線程擁有Lock對象。

Condition

在ReentrantLock類中有一個重要的函數newCondition()，該函數用于獲取lock上的一個條件，也就是說Condition是和Lock綁定的。Condition用于實現線程間的通信，它是為了解決Object.wait()、notify()、notifyAll()難以使用的問題。

Condition的基本操作如下所示：

方法	作用
await()	線程等待
await(int time,TimeUnit unit)	線程等待特定的時間，超過時間則為超時
signal()	隨機喚醒某個等待線程
signalAll()	喚醒所有等待中的線程

綜合應用

下面通過ReentrantLock和Condition類實現一個簡單的阻塞隊列。如果調用take方法時集合中沒有數據，那么調用線程阻塞；如果調用put方法時，集合數據已滿則調用線程阻塞。但是這兩個阻塞條件是不同的，分別為notFull和notEmpty。MyArrayBlockingQueue的實現代碼如下：

public class MyArrayBlockingQueue {

    // 數據數組
    private final T[] items;
    // 鎖
    private final Lock mLock = new ReentrantLock();
    // 數組滿的條件
    private Condition notFull = mLock.newCondition();
    // 數組空的條件
    private Condition notEmpty = mLock.newCondition();

    // 頭部
    private int head;
    // 尾部
    private int tail;
    // 數據數量
    private int count;

    public MyArrayBlockingQueue(int maxSize) {
        // TODO Auto-generated constructor stub
        items = (T[]) new Object[maxSize];
    }

    public MyArrayBlockingQueue() {
        // TODO Auto-generated constructor stub
        this(10);
    }

    public void put(T t) {

        mLock.lock();

        try {

            // 如果數據已滿,等待
            while (count == getCapacity()) {
                System.out.println("數據已滿，請等待");
                notFull.await();
            }

            System.out.println("存入數據");

            items[tail] = t;
            if (++tail == getCapacity()) {
                tail = 0;
            }

            ++count;
            // 喚醒等待數據的線程
            notEmpty.signalAll();

        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        } finally {
            mLock.unlock();
        }
    }

    public T take() {

        mLock.lock();

        try {

            // 如果數組數據為空，則阻塞
            while (count == 0) {
                System.out.println("還沒有數據，等待");
                notEmpty.await();
            }

            System.out.println("取出數據");

            T t = items[head];
            items[head] = null;

            if (++head == getCapacity()) {
                head = 0;
            }

            --count;
            // 喚醒添加數據的線程
            notFull.signalAll();
            return t;

        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO: handle exception
        } finally {
            mLock.unlock();
        }

        return null;
    }

    public int getCapacity() {
        return items.length;
    }

    public int size() {
        mLock.lock();
        try {
            return count;
        } finally {
            mLock.unlock();
        }
    }

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        final MyArrayBlockingQueue mQueue = new MyArrayBlockingQueue<>(
                5);

        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                // TODO Auto-generated method stub
                while (true) {

                    for(int i  = 0;i < 3;i++)
                    mQueue.put("just");
                    try {
                        Thread.sleep(50);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }

                }

            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                // TODO Auto-generated method stub
                while (true) {
                    
                    mQueue.take();

                }
            }
        }).start();

    }

}

結果打印
存入數據
存入數據
存入數據
取出數據
取出數據
取出數據
還沒有數據，等待
存入數據
存入數據
存入數據
取出數據
取出數據
取出數據
還沒有數據，等待

信號量-Semaphore

Semaphore是一個計數信號量，它的本質是一個“共享鎖”。信號量維護一個信號許可集合，線程可以通過調用acquire()來獲取信號量的許可。當信號量有可用的許可時，線程能獲取該許可；否則線程必須等到，直到有可用的許可為止。線程可以通過release()來釋放它所持有的信號量許可。

Semaphore實現的功能類似食堂窗口。例如，食堂只有3個銷售窗口，要吃飯的有5個人，那么同時只有3個人買飯菜，每個人占用一個窗口，另外2人只能等待。當前3個人有人離開之后，后續的人才可以占用窗口進行購買。這里的窗口就是我們所說的許可集，這里為3.一個人占用窗口時相當于他調用acquire()獲取了許可，當他離開時也就等于調用release()釋放了許可，這樣后續的人才可以得到許可。下面看看具體的示例：

public class SemaphoreTest {
    

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(3);
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
        
        for(int i = 0;i < 5;i++) {
            
            service.submit(new Runnable() {
                
                @Override
                public void run() {
                    // TODO Auto-generated method stub
                    try {
                        semaphore.acquire();
                        System.out.println("剩余許可: " + semaphore.availablePermits());
                        Thread.sleep(2000);
                        semaphore.release();
                        
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                    
                }
            });
        }

    }

}

結果打?。?
剩余許可: 0
剩余許可: 0
剩余許可: 0

剩余許可: 2
剩余許可: 1

上述結果中：前三行是立刻輸出的，后兩行是等待2秒之后才輸出。原因是，信號量的許可集是3個，而消費線程是5個。前3個線程獲取了許可之后，信號量的許可就為0。此時后面的線程再調用acquire()就會阻塞，直到前3個線程執行完之后，釋放了許可（不需要同時釋放許可）后兩個線程才能獲取許可并且繼續執行。

循環柵欄-CyclicBarrier

CyclicBarrier是一個同步輔助類，允許一組線程互相等待，直到達到某個公共屏障點。因為該barrier在釋放等待線程后可以重用，所有稱為循環的barrier。

下面看看示例：

public class CyclicBarrierTest {
    
    private static final int SIZE = 5;
    private static CyclicBarrier mCyclicBarrier;

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub

        mCyclicBarrier = new CyclicBarrier(SIZE, new Runnable() {
            
            @Override
            public void run() {
                // TODO Auto-generated method stub
                System.out.println("--滿足條件執行特定操作，參與者： "+ mCyclicBarrier.getParties());
            }
        });
        
        
        for(int i = 0;i < SIZE;i++) {
            new WorkerThread().start();
        }
        
        
    }
    
    static class WorkerThread extends Thread {
        
        @Override
        public void run() {
            // TODO Auto-generated method stub
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等待CyclicBarrier");
                //將mCyclicBarrier的參與者數量加1
                mCyclicBarrier.await();
                //mCyclicBarrier的參與者數量加5時，才繼續往后執行
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"繼續執行");
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

}

結果打?。?
Thread-1等待CyclicBarrier
Thread-0等待CyclicBarrier
Thread-2等待CyclicBarrier
Thread-3等待CyclicBarrier
Thread-4等待CyclicBarrier
--滿足條件執行特定操作，參與者： 5
Thread-4繼續執行
Thread-3繼續執行
Thread-2繼續執行
Thread-0繼續執行
Thread-1繼續執行

從結果可以看出，只有當有5個線程調用了mCyclicBarrier.await()方法后，后續的任務才會繼續執行。上述例子中的5個WorkThread就位之后首先會執行一個Runnable，也就是CyclicBarrier構造函數的第二個參數，該參數也可以省略。執行該Runnable之后才會繼續執行下面的任務。CyclicBarrier實際上相當于可以用于多個線程等待，直到某個條件被滿足后開始繼續執行后續的任務。對于該示例來說，這里的條件也就是有指定個數的線程調用了mCyclicBarrier.await()方法。

閉鎖-CountDownLatch

CountDownLatch是一個同步輔助類，在完成一組正在其他線程中執行的操作之前，它允許一個或多個線程一直等待，直到條件被滿足。

示例如下：

public class CountDownLatchTest {
    
    private static final int LATCH_SIZE = 5;

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        try {
            
            CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(LATCH_SIZE);
            
            for(int i = 0;i < LATCH_SIZE;i++) {
                new WorkerThread(countDownLatch).start();
            }
    
            System.out.println("主線程等待");
            
            countDownLatch.await();
            
            System.out.println("主線程繼續執行");
            
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    static class WorkerThread extends Thread {
        
        private CountDownLatch latch;
        
        public WorkerThread(CountDownLatch latch) {
            this.latch = latch;
        }
        
        @Override
        public void run() {
            // TODO Auto-generated method stub
            try {
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "執行操作");
                //將latch的數量減1
                latch.countDown();
                
            } catch (Exception e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

}

結果打?。?
主線程等待
Thread-3執行操作
Thread-1執行操作
Thread-0執行操作
Thread-4執行操作
Thread-2執行操作
主線程繼續執行

5個WorkThread對象在執行完操作之后會調用CountDownLatch的countDown()函數，當5個WorkThread全都調用了countDown()之后主線程就會被喚醒繼續執行任務。

CountDownLatch與CyclicBarrier區別

CountDownLatch的作用是允許1或者多個線程等待其他線程完成執行，而CyclicBarrier則是允許N個線程相互等待。

CountDownLatch的計數器無法被重置，CyclicBarrier的計數器可以被重置后使用。

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