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线程共享:初识synchronized

小故事

  • 老王(操作系统)有一个功能强大的算盘(CPU),现在想把它租出去,赚一点外快
  • 小南、小女(线程)来使用这个算盘来进行一些计算,并按照时间给老王支付费用
  • 但小南不能一天24小时使用算盘,他经常要小憩一会(sleep),又或是去吃饭上厕所(阻塞 io 操作),有时还需要一根烟,没烟时思路全无(wait)这些情况统称为(阻塞)
  • 在这些时候,算盘没利用起来(不能收钱了),老王觉得有点不划算
  • 另外,小女也想用用算盘,如果总是小南占着算盘,让小女觉得不公平
  • 于是,老王灵机一动,想了个办法 [ 让他们每人用一会,轮流使用算盘 ]
  • 这样,当小南阻塞的时候,算盘可以分给小女使用,不会浪费,反之亦然
  • 最近执行的计算比较复杂,需要存储一些中间结果,而学生们的脑容量(工作内存)不够,所以老王申请了一个笔记本(主存),把一些中间结果先记在本上
  • 计算流程是这样的
  • 但是由于分时系统,有一天还是发生了事故
  • 小南刚读取了初始值 0 做了个 +1 运算,还没来得及写回结果
  • 老王说 [ 小南,你的时间到了,该别人了,记住结果走吧 ],于是小南念叨着 [ 结果是1,结果是1...] 不甘心地
  • 到一边待着去了(上下文切换)
  • 老王说 [ 小女,该你了 ],小女看到了笔记本上还写着 0 做了一个 -1 运算,将结果 -1 写入笔记本
  • 这时小女的时间也用完了,老王又叫醒了小南:[小南,把你上次的题目算完吧],小南将他脑海中的结果 1 写入了笔记本
  • 小南和小女都觉得自己没做错,但笔记本里的结果是 1 而不是 0

Java 的体现

两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增,一个做自减,各做 5000 次,结果是 0 吗?

static int counter = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 Thread t1 = new Thread(() -> {
 for (int i = 0; i < 5000; i++) {
 counter++;
 }
 }, "t1");
 Thread t2 = new Thread(() -> {
 for (int i = 0; i < 5000; i++) {
 counter--;
 }
 }, "t2");
 t1.start();
 t2.start();
 t1.join();
 t2.join();
 log.debug("{}",counter);
}

问题分析

以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢?因为 Java 中对静态变量的自增,自减并不是原子操作,要彻底理 解,必须从字节码来进行分析

例如对于 i++ 而言(i 为静态变量),实际会产生如下的 JVM 字节码指令:

getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
iadd // 自增
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

而对应 i-- 也是类似:

getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
isub // 自减
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

而 Java 的内存模型如下,完成静态变量的自增,自减需要在主存和工作内存中进行数据交换:

线程共享:初识synchronized_线程同步

如果是单线程以上 8 行代码是顺序执行(不会交错)没有问题:

线程共享:初识synchronized_线程同步_02

但多线程下这 8 行代码可能交错运行:

出现负数的情况:

线程共享:初识synchronized_线程同步_03

出现正数的情况:

线程共享:初识synchronized_多线程_04

临界区 Critical Section

  • 一个程序运行多个线程本身是没有问题的
  • 问题出在多个线程访问共享资源
  • 多个线程读共享资源其实也没有问题
  • 在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错,就会出现问题
  • 一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作,称这段代码块为临界区

例如,下面代码中的临界区

static int counter = 0;
static void increment() 
// 临界区
{ 
 counter++;
}
static void decrement() 
// 临界区
{ 
 counter--;
}

竞态条件 Race Condition

多个线程在临界区内执行,由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测,称之为发生了竞态条件

synchronized 解决方案

为了避免临界区的竞态条件发生,有多种手段可以达到目的。

阻塞式的解决方案:synchronizedLock

非阻塞式的解决方案:原子变量

本次课使用阻塞式的解决方案:synchronized,来解决上述问题,即俗称的【对象锁】,它采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】,其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码,不用担心线程上下文切换

注意

虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成,但它们还是有区别的:

互斥是保证临界区的竞态条件发生,同一时刻只能有一个线程执行临界区代码

同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点

synchronized

语法

synchronized(对象) // 线程1, 线程2(blocked)
{
 临界区
}

解决

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Room room = new Room();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                room.increment();
            }
        }, "t1");

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                room.decrement();
            }
        }, "t2");

        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.debug("{}", room.getCounter());
    }
}

class Room {
    private int counter = 0;

    public synchronized void increment() {
        counter++;
    }

    public synchronized void decrement() {
        counter--;
    }

    public synchronized int getCounter() {
        return counter;
    }

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