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Java基础程序—— 多线程安全问题

东林梁 2022-05-05 阅读 125

目录

一、线程安全

二、线程同步

2.1、同步代码块

2.2、同步方法

三、死锁

四、 Lock接口

五、等待唤醒机制


一、线程安全

如果有多个线程在同时运行,而这些线程可能会同时运行这段代码。程序每次运行结果 和单线程运行的结果是一样的,而且其他的变量的值也和预期的是一样的,就是线程安全的。

  • 我们通过一个案例,演示线程的安全问题:
  • 电影院要卖票,我们模拟电影院的卖票过程。假设要播放的电影是 “功夫熊猫3”, 本次电影的座位共100个(本场电影只能卖100张票)。
  • 我们来模拟电影院的售票窗口,实现多个窗口同时卖 “功夫熊猫3”这场电影票(多 个窗口一起卖这100张票)。
  • 需要窗口,采用线程对象来模拟;需要票,Runnable接口子类来模拟。
public class Ticket implements Runnable{
    int ticket = 100;
    @Override
    public void run() {
        int n = 0;
        while (true){
            if(ticket>0){
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                        +"正在卖票,现有票:"+ticket--);
                n++;
                System.out.println(n);
            }
        }
    }
}

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Ticket ticket = new Ticket();
        Thread t1 = new Thread(ticket, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(ticket, "窗口2");
        Thread t3 = new Thread(ticket, "窗口3");
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

运行结果发现:上面程序出现了问题

  • 票出现了重复的票
  • 错误的票 0、-1

其实,线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作,而无写操作,一般来说,这个全局变量是线程安全的;若有多个线程同时执行写操作,一般都需要考虑线程同步,否则的话就可能影响线程安全。


二、线程同步

Java中提供了线程同步机制,它能够解决上述的线程安全问题。

线程同步的方式有两种:

  1. 方式:同步代码块
  2. 方式:同步方法

2.1、同步代码块

synchronized (锁对象) {
可能会产生线程安全问题的代码
}

同步代码块中的锁对象可以是任意的对象;

但多个线程时,要使用同一个锁对象才能够保证线程安全。

使用同步代码块,对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改:

public class Ticket implements Runnable{
    int ticket = 100;
    //定义锁对象
    Object lock = new Object();

    @Override
    public void run() {
        int n = 0;
        while (true){
            synchronized (lock){
                // 同步代码块
                if(ticket>0){
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            +"正在卖票,现有票:"+ticket--);
                    n++;
                    System.out.println(n);
                }
            }
        }
    }
}

2.2、同步方法

  • 同步方法:在方法声明上加上 synchronized
public synchronized void method(){
可能会产生线程安全问题的代码
}
  • 同步方法中的锁对象是 this
  • 使用同步方法,对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改:
public class Ticket implements Runnable{
    int ticket = 100;
    //定义锁对象
    Object lock = new Object();

    @Override
    public void run() {
        int n = 0;
        while (true){
            method();
        }
    }

    // 同步方法,锁对象this
    public  synchronized void method(){
        if(ticket>0){
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                        + "正在卖票:" + ticket--);
            }
    }
}
  • 静态同步方法: 在方法声明上加上static synchronized
public static synchronized void method(){
可能会产生线程安全问题的代码
}
  • 静态同步方法中的锁对象是 类名.class

三、死锁

同步锁使用的弊端:当线程任务中出现了多个同步(多个锁)时,如果同步中嵌套了其他的同步。这时容易引发一种现象:程序出现无限等待,这种现象我们称为死锁。 这种情况能避免就避免掉。

synchronzied(A锁){
    synchronized(B锁){
        }
}
  • 定义锁对象类
public class MyLock {
public static final Object lockA = new Object();
public static final Object lockB = new Object();
}
  •  线程任务类
public class ThreadTask implements Runnable{
    int x = new Random().nextInt(1);   // 取0,1

    //指定线程要执行的任务代码
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("x="+x);
        while (true){
            if(x%2==0){
                synchronized (MyLock.lockA){
                    System.out.println("if-LockA");
                    synchronized (MyLock.lockB){
                        System.out.println("if-LockB");
                        System.out.println("if小镭加油");
                    }
                }
            }else{
                synchronized (MyLock.lockB){
                    System.out.println("if-LockB");
                    synchronized (MyLock.lockA){
                        System.out.println("if-LockA");
                        System.out.println("else小镭加油");
                    }
                }
            }
            x++;
        }
    }
}
  •  测试类
public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
         //创建线程任务类对象
        ThreadTask threadTask = new ThreadTask();
        //创建两个线程
        Thread t1 = new Thread(threadTask);
        Thread t2 = new Thread(threadTask);
        ///启动线程        
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

四、 Lock接口

  • 查阅API,查阅Lock接口描述,Lock 实现提供了比使用 synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。
  • Lock接口中的常用方法

 

  • Lock提供了一个更加面对对象的锁,在该锁中提供了更多的操作锁的功能。
  • 我们使用Lock接口,以及其中的lock()方法和unlock()方法替代同步,对电影院卖票案 例中Ticket类进行如下代码修改:
public class Ticket implements Runnable{
    int ticket = 100;
    //创建Lock锁对象
    Lock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            lock.lock();
            if(ticket>0) {
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:"
                        + ticket--);
            }
            lock.unlock();
        }
    }
}

五、等待唤醒机制

线程之间的通信:多个线程在处理同一个资源,但是处理的动作(线程的任务)却不相同。通过一定的手段使各个线程 能有效的利用资源。而这种手段即—— 等待唤醒机制

等待唤醒机制所涉及到的方法

  • wait() :等待,将正在执行的线程释放其执行资格和执行权,并存储到线程池中。
  • notify():唤醒,唤醒线程池中被wait()的线程,一次唤醒一个,而且是任意的。 
  • notifyAll(): 唤醒全部:可以将线程池中的所有wait() 线程都唤醒。 其实,所谓唤醒的意思就是让线程池中的线程具备执行资格。必须注意的是,这些方法都是在同步中才有效。同时这些方法在使用时必须标明所属锁,这样才可以明确出这些方法操作的到底是哪个锁上的线程。

仔细查看JavaAPI之后,发现这些方法并不定义在 Thread中,也没定义在Runnable接 口中,却被定义在了Object类中,为什么这些操作线程的方法定义在Object类中?

因为这些方法在使用时,必须要标明所属的锁,而锁又可以是任意对象。能被任意对象调用的方法一定定义在Object类中。 

 voidnotify()
          唤醒在此对象监视器上等待的单个线程。
 voidnotifyAll()
          唤醒在此对象监视器上等待的所有线程。
 voidwait()
          在其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法前,导致当前线程等待。

示例:

输入线程向Resource中输入name 、sex ;输出线程从资源中输出,先要完成的任务是:

  • 当input发现Resource中没有数据时,开始输入,输入完成后,叫output来输出。 如果发现有数据,就wait();
  • 当output发现Resource中没有数据时,就wait() ;当发现有数据时,就输出,然后,叫醒input来输入数据。

模拟资源类:

public class Resource {
    private String name;
    private String sex;
    private boolean flag = false;

    public synchronized void set(String name, String sex){
        if(flag)
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            this.name = name;
            this.sex = sex;
            flag = true;
            // 唤醒output
            this.notify();

    }

    public synchronized void out(){
        if(!flag)
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        System.out.println("姓名:"+name+", 性别:"+sex);
        flag = false;
        // 唤醒input,进行数据输入
        this.notify();
    }
}

输入线程任务类

public class Input implements  Runnable{
    private Resource r;

    public Input(Resource r){
        this.r = r;
    }

    @Override
    public void run() {
        int count = 0;
        while (true){
            if(count==0){
                r.set("小明","男生");
            }else{
                r.set("小花","女生");
            }
            // 在两个数据之间进行切换
            count = (count + 1) % 2;
        }

    }
}

输入线程任务类

public class Output implements Runnable{
    private Resource r;
    public Output(Resource r){
        this.r = r;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            r.out();
        }
    }
}

测试类:

public class ResourceDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建资源对象
        Resource r = new Resource();
        // 创建任务对象
        Input input = new Input(r);
        Output output = new Output(r);
        // 创建线程对象
        Thread t1 = new Thread(input);
        Thread t2 = new Thread(output);
        // 开启线程
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
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