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☆啃碎并发（六）：Java线程同步与实现

书坊尚 2021-10-09 阅读 62
45_啃碎并发编程Java多线程Java知识

0 前言

为何要使用Java线程同步？ Java允许多线程并发控制，当多个线程同时操作一个可共享的资源变量时，将会导致数据不准确，相互之间产生冲突，因此加入同步锁以避免在该线程没有完成操作之前，被其他线程的调用，从而保证了该变量的唯一性和准确性。

但其并发编程的根本，就是使线程间进行正确的通信。其中两个比较重要的关键点，如下：

Java中提供了很多线程同步操作，比如：synchronized关键字、wait/notifyAll、ReentrantLock、Condition、一些并发包下的工具类、Semaphore，ThreadLocal、AbstractQueuedSynchronizer等。本文主要说明一下这几种同步方式的使用及优劣。

1 ReentrantLock可重入锁

自JDK5开始，新增了Lock接口以及它的一个实现类ReentrantLock。ReentrantLock可重入锁是J.U.C包内置的一个锁对象，可以用来实现同步，基本使用方法如下：

public class ReentrantLockTest {

    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void execute() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " do something synchronize");
            try {
                Thread.sleep(5000l);
            } catch (InterruptedException e) {
                System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLockTest reentrantLockTest = new ReentrantLockTest();
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                reentrantLockTest.execute();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                reentrantLockTest.execute();
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

上面例子表示 同一时间段只能有1个线程执行execute方法，输出如下：

Thread-0 do something synchronize
// 隔了5秒钟 输入下面
Thread-1 do something synchronize

可重入锁中可重入表示的意义在于 对于同一个线程，可以继续调用加锁的方法，而不会被挂起。可重入锁内部维护一个计数器，对于同一个线程调用lock方法，计数器+1，调用unlock方法，计数器-1。

举个例子再次说明一下可重入的意思：在一个加锁方法execute中调用另外一个加锁方法anotherLock并不会被挂起，可以直接调用(调用execute方法时计数器+1，然后内部又调用了anotherLock方法，计数器+1，变成了2)：

public void execute() {
    lock.lock();
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " do something synchronize");
        try {
            anotherLock();
            Thread.sleep(5000l);
        } catch (InterruptedException e) {
            System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

public void anotherLock() {
    lock.lock();
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " invoke anotherLock");
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

输出：

Thread-0 do something synchronize
Thread-0 invoke anotherLock
// 隔了5秒钟 输入下面
Thread-1 do something synchronize
Thread-1 invoke anotherLock

2 synchronized

synchronized跟ReentrantLock一样，也支持可重入锁。但是它是 一个关键字，是一种语法级别的同步方式，称为内置锁：

public class SynchronizedKeyWordTest {

    public synchronized void execute() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " do something synchronize");
        try {
            anotherLock();
            Thread.sleep(5000l);
        } catch (InterruptedException e) {
            System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }

    public synchronized void anotherLock() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " invoke anotherLock");
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedKeyWordTest reentrantLockTest = new SynchronizedKeyWordTest();
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                reentrantLockTest.execute();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                reentrantLockTest.execute();
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }

}

输出结果跟ReentrantLock一样，这个例子说明内置锁可以作用在方法上。synchronized关键字也可以修饰静态方法，此时如果调用该静态方法，将会锁住整个类。

同步是一种高开销的操作，因此应该尽量减少同步的内容。通常没有必要同步整个方法，使用synchronized代码块同步关键代码即可。

synchronized跟ReentrantLock相比，有几点局限性：

所以，Lock的操作与synchronized相比，灵活性更高，而且Lock提供多种方式获取锁，有Lock、ReadWriteLock接口，以及实现这两个接口的ReentrantLock类、ReentrantReadWriteLock类。

关于Lock对象和synchronized关键字选择的考量：

在性能考量上来说，如果竞争资源不激烈，两者的性能是差不多的，而当竞争资源非常激烈时（即有大量线程同时竞争），此时Lock的性能要远远优于synchronized。所以说，在具体使用时要根据适当情况选择。

3 Condition条件对象

Condition条件对象的意义在于 对于一个已经获取Lock锁的线程，如果还需要等待其他条件才能继续执行的情况下，才会使用Condition条件对象。

Condition可以替代传统的线程间通信，用await()替换wait()，用signal()替换notify()，用signalAll()替换notifyAll()。

public class ConditionTest {

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        Condition condition = lock.newCondition();
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                lock.lock();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wait for condition");
                    try {
                        condition.await();
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                lock.lock();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sleep 5 secs");
                    try {
                        Thread.sleep(5000l);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                    condition.signalAll();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

这个例子中thread1执行到condition.await()时，当前线程会被挂起，直到thread2调用了condition.signalAll()方法之后，thread1才会重新被激活执行。

传统线程的通信方式，Condition都可以实现。Condition的强大之处在于它可以为多个线程间建立不同的Condition。

4 wait&notify/notifyAll方式

Java线程的状态转换图与相关方法，如下：

在图中，红框标识的部分方法，可以认为已过时，不再使用。上图中的方法能够参与到线程同步中的方法，如下：

  1. wait、notify、notifyAll方法：线程中通信可以使用的方法。线程中调用了wait方法，则进入阻塞状态，只有等另一个线程调用与wait同一个对象的notify方法。这里有个特殊的地方，调用wait或者notify，前提是需要获取锁，也就是说，需要在同步块中做以上操作。

    public class WaitNotifyAllTest {

    public synchronized void doWait() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wait for condition");
        try {
            this.wait();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
        } catch (InterruptedException e) {
            System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }

    public synchronized void doNotify() {
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sleep 5 secs");
            Thread.sleep(5000l);
            this.notifyAll();
        } catch (InterruptedException e) {
            System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        WaitNotifyAllTest waitNotifyAllTest = new WaitNotifyAllTest();
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                waitNotifyAllTest.doWait();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                waitNotifyAllTest.doNotify();
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

    这里需要注意的是 调用wait/notifyAll方法的时候一定要获得当前线程的锁，否则会发生IllegalMonitorStateException异常。

  2. join方法：该方法主要作用是在该线程中的run方法结束后，才往下执行。

    package com.thread.simple;
 
public class ThreadJoin {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread= new Thread(new Runnable() {
              @Override
              public void run() {
                   System.err.println("线程"+Thread.currentThread().getId()+" 打印信息");
              }
        });
        thread.start();
     
        try {
            thread.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        System.err.println("主线程打印信息");   
    }
}

  3. yield方法：线程本身的调度方法，使用时线程可以在run方法执行完毕时，调用该方法，告知线程已可以出让CPU资源。

    public class Test1 {  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        new MyThread("低级", 1).start();  
        new MyThread("中级", 5).start();  
        new MyThread("高级", 10).start();  
    }  
}  

class MyThread extends Thread {  
    public MyThread(String name, int pro) {  
        super(name);// 设置线程的名称  
        this.setPriority(pro);// 设置优先级  
    }  

    @Override  
    public void run() {  
        for (int i = 0; i < 30; i++) {  
            System.out.println(this.getName() + "线程第" + i + "次执行！");  
            if (i % 5 == 0)  
                Thread.yield();  
        }  
    }  
}

  4. sleep方法：通过sleep(millis)使线程进入休眠一段时间，该方法在指定的时间内无法被唤醒，同时也不会释放对象锁；

    /**
 * 可以明显看到打印的数字在时间上有些许的间隔
 */
public class Test1 {  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        for(int i=0;i<100;i++){  
            System.out.println("main"+i);  
            Thread.sleep(100);  
        }  
    }  
}

    sleep方法告诉操作系统 至少在指定时间内不需为线程调度器为该线程分配执行时间片，并不释放锁（如果当前已经持有锁）。实际上，调用sleep方法时并不要求持有任何锁。

    所以，sleep方法并不需要持有任何形式的锁，也就不需要包裹在synchronized中。

5 ThreadLocal

ThreadLocal是一种把变量放到线程本地的方式来实现线程同步的。比如：SimpleDateFormat不是一个线程安全的类，可以使用ThreadLocal实现同步，如下：

public class ThreadLocalTest {

    private static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal = new ThreadLocal<SimpleDateFormat>() {
        @Override
        protected SimpleDateFormat initialValue() {
            return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        }
    };

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                Date date = new Date();
                System.out.println(dateFormatThreadLocal.get().format(date));
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                Date date = new Date();
                System.out.println(dateFormatThreadLocal.get().format(date));
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

为何SimpleDateFormat不是线程安全的类？具体请参考：

ThreadLocal与同步机制的对比选择：

6 volatile修饰变量

volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制，使用volatile修饰域相当于告诉虚拟机该域可能会被其他线程更新，因此每次使用该域就要重新计算，而不是使用寄存器中的值，volatile不会提供任何原子操作，它也不能用来修饰final类型的变量。

//只给出要修改的代码，其余代码与上同
public class Bank {
    //需要同步的变量加上volatile
    private volatile int account = 100;
    public int getAccount() {
        return account;
    }
    //这里不再需要synchronized 
    public void save(int money) {
        account += money;
    }
｝

多线程中的非同步问题主要出现在对域的读写上，如果让域自身避免这个问题，则就不需要修改操作该域的方法。用final域，有锁保护的域和volatile域可以避免非同步的问题。

7 Semaphore信号量

Semaphore信号量被用于控制特定资源在同一个时间被访问的个数。类似连接池的概念，保证资源可以被合理的使用。可以使用构造器初始化资源个数：

public class SemaphoreTest {

    private static Semaphore semaphore = new Semaphore(2);

    public static void main(String[] args) {
        for(int i = 0; i < 5; i ++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        semaphore.acquire();
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date());
                        Thread.sleep(5000l);
                        semaphore.release();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
}

输出：

Thread-1 Mon Apr 18 18:03:46 CST 2016
Thread-0 Mon Apr 18 18:03:46 CST 2016
Thread-3 Mon Apr 18 18:03:51 CST 2016
Thread-2 Mon Apr 18 18:03:51 CST 2016
Thread-4 Mon Apr 18 18:03:56 CST 2016

8 并发包下的工具类

8.1 CountDownLatch

CountDownLatch是一个计数器，它的构造方法中需要设置一个数值，用来设定计数的次数。每次调用countDown()方法之后，这个计数器都会减去1，CountDownLatch会一直阻塞着调用await()方法的线程，直到计数器的值变为0。

public class CountDownLatchTest {

    public static void main(String[] args) {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);
        for(int i = 0; i < 5; i ++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date() + " run");
                    try {
                        Thread.sleep(5000l);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }).start();
        }
        try {
            countDownLatch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("all thread over");
    }
}

输出：

Thread-2 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run
Thread-3 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run
Thread-4 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run
Thread-0 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run
Thread-1 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run
all thread over

8.2 CyclicBarrier

CyclicBarrier阻塞调用的线程，直到条件满足时，阻塞的线程同时被打开。

public class CyclicBarrierTest {

    public static void main(String[] args) {
        Random random = new Random();
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5);
        for(int i = 0; i < 5; i ++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    int secs = random.nextInt(5);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date() + " run, sleep " + secs + " secs");
                    try {
                        Thread.sleep(secs * 1000);
                        cyclicBarrier.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } catch (BrokenBarrierException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date() + " runs over");
                }
            }).start();
        }
    }
}

相比CountDownLatch，CyclicBarrier是可以被循环使用的，而且遇到线程中断等情况时，还可以利用reset()方法，重置计数器，从这些方面来说，CyclicBarrier会比CountDownLatch更加灵活一些。

9 使用原子变量实现线程同步

有时需要使用线程同步的根本原因在于 对普通变量的操作不是原子的。那么什么是原子操作呢？

在java.util.concurrent.atomic包中提供了创建原子类型变量的工具类，使用该类可以简化线程同步。比如：其中AtomicInteger以原子方式更新int的值：

class Bank {
    private AtomicInteger account = new AtomicInteger(100);

    public AtomicInteger getAccount() {
        return account;
    }

    public void save(int money) {
        account.addAndGet(money);
    }
}

10 AbstractQueuedSynchronizer

AQS是很多同步工具类的基础，比如：ReentrantLock里的公平锁和非公平锁，Semaphore里的公平锁和非公平锁，CountDownLatch里的锁等他们的底层都是使用AbstractQueuedSynchronizer完成的。

基于AbstractQueuedSynchronizer自定义实现一个独占锁：

public class MySynchronizer extends AbstractQueuedSynchronizer {

    @Override
    protected boolean tryAcquire(int arg) {
        if(compareAndSetState(0, 1)) {
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            return true;
        }
        return false;
    }

    @Override
    protected boolean tryRelease(int arg) {
        setState(0);
        setExclusiveOwnerThread(null);
        return true;
    }

    public void lock() {
        acquire(1);
    }

    public void unlock() {
        release(1);
    }

    public static void main(String[] args) {
        MySynchronizer mySynchronizer = new MySynchronizer();
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                mySynchronizer.lock();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " will sleep 5 secs");
                    try {
                        Thread.sleep(5000l);
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                } finally {
                    mySynchronizer.unlock();
                }
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                mySynchronizer.lock();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
                } finally {
                    mySynchronizer.unlock();
                }
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

11 使用阻塞队列实现线程同步

前面几种同步方式都是基于底层实现的线程同步，但是在实际开发当中，应当尽量远离底层结构。本节主要是使用LinkedBlockingQueue<E>来实现线程的同步。

package com.xhj.thread;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

/**
 * 用阻塞队列实现线程同步 LinkedBlockingQueue的使用
 */
public class BlockingSynchronizedThread {
    /**
     * 定义一个阻塞队列用来存储生产出来的商品
     */
    private LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<Integer>();
    /**
     * 定义生产商品个数
     */
    private static final int size = 10;
    /**
     * 定义启动线程的标志，为0时，启动生产商品的线程；为1时，启动消费商品的线程
     */
    private int flag = 0;

    private class LinkBlockThread implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            int new_flag = flag++;
            System.out.println("启动线程 " + new_flag);
            if (new_flag == 0) {
                for (int i = 0; i < size; i++) {
                    int b = new Random().nextInt(255);
                    System.out.println("生产商品：" + b + "号");
                    try {
                        queue.put(b);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("仓库中还有商品：" + queue.size() + "个");
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            } else {
                for (int i = 0; i < size / 2; i++) {
                    try {
                        int n = queue.take();
                        System.out.println("消费者买去了" + n + "号商品");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("仓库中还有商品：" + queue.size() + "个");
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (Exception e) {
                        // TODO: handle exception
                    }
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        BlockingSynchronizedThread bst = new BlockingSynchronizedThread();
        LinkBlockThread lbt = bst.new LinkBlockThread();
        Thread thread1 = new Thread(lbt);
        Thread thread2 = new Thread(lbt);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}
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