Java 多线程 - Synchronized 和变量并发访问

系统管理员 2021-04-19 15:06 687阅读 0赞

在非线程安全得情况下，多个线程对同一个对象中得实例变量进行并发访问时，产生得后果就是脏读，也就是取到得数据其实是被更改过得。

非线程安全问题存在于"实例变量"中，如果是方法内部得私有变量，则不存在"非线程安全"的问题。

### 1 Synchronized ###

#### 1.1 synchronized方法 ####

使用synchronized修饰方法时应注意使用同一个锁对象，否则会导致synchronized失效。

public class ThreadTest {
        public static void main(String[] args) {
            Add add = new Add();
            Add add1 = new Add();
            ThreadAA threadAA = new ThreadAA(add);
            threadAA.start();
            ThreadBB threadBB = new ThreadBB(add1);
            threadBB.start();
        }
    }
    
    class ThreadAA extends Thread{
        private Add a;
        public ThreadAA(Add add){
            this.a = add;
        }
        @Override
        public void run(){
            a.add("a");
        }
    }
    
    class ThreadBB extends Thread{
        private Add b;
        public ThreadBB(Add add){
            this.b = add;
        }
        @Override
        public void run(){
            b.add("b");
        }
    }
    
    class Add{
        private int num = 0;
        //同步方法
        synchronized public void add(String username){
            try{
                if (username.equals("a")){
                    num = 100;
                    System.out.println("add a end");
                    Thread.sleep(2000);
                }else {
                    num = 200;
                    System.out.println("add b end");
                }
                System.out.println(username + " name " + num);
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

打印结果

add a end
    add b end
    b name 200
    a name 100

从结果看出打印的顺序不是同步的，而是交叉的，这是因为**关键字synchronized取得的锁都是对象锁**。所以上面的示例中，那个线程先执行带synchronized关键字的方法，那个线程就持有该方法所属对象的锁，那么其他线程只能呈等待状态，前提是多个线程访问的是同一个对象。

验证synchronized方法持有的锁为对象锁

//将上面的ThreadTest类中的main方法进行修改
    public class ThreadTest {
        public static void main(String[] args) {
            Add add = new Add();
    //        Add add1 = new Add();
            ThreadAA threadAA = new ThreadAA(add);
            threadAA.start();
            ThreadBB threadBB = new ThreadBB(add);
            threadBB.start();
        }
    }

运行结果

add a end
    a name 100
    add b end
    b name 200

此时看多的运行结果就是顺序打印的。

#### 1.2 synchronized同步代码块 ####

上面讲了同步方法，但是用synchronized声明方法在某些情况下是有弊端的，比如A线程调用同步方法执行一个长时间的任务，那么其他线程必须等待较长的时间。在这样的情况下，我们可以使用synchronized同步代码块来解决，使用synchronized同步代码块来包裹必须要同步执行的代码部分。

public class ThreadFunction {
        public static void main(String[] args) {
            ObjFunction objFunction = new ObjFunction();
            FunA funA = new FunA(objFunction);
            funA.setName("a");
            funA.start();
            FunB funB = new FunB(objFunction);
            funB.setName("b");
            funB.start();
    
        }
    }
    
    class FunB extends Thread{
        private ObjFunction objFunction;
        public FunB(ObjFunction objFunction){
            this.objFunction = objFunction;
        }
        @Override
        public void run(){
            objFunction.objMethod();
        }
    }
    
    class FunA extends Thread{
        private ObjFunction objFunction;
        public FunA(ObjFunction objFunction){
            this.objFunction = objFunction;
        }
        @Override
        public void run(){
            objFunction.objMethod();
        }
    }
    
    class ObjFunction{
        public void objMethod(){
            try{
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " start");
                synchronized (this) {
                    System.out.println("start time = " + System.currentTimeMillis());
                    Thread.sleep(2000);
                    System.out.println("end time = "+ System.currentTimeMillis());
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " end");
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

运行结果

a start
    b start
    start time = 1559033466082
    end time = 1559033468083
    a end
    start time = 1559033468083
    end time = 1559033470084
    b end

可以看出，**同步代码块外的代码是异步执行的，而同步代码块中的则是同步执行的。并且synchronized(this)的锁对象也是当前对象。**

除了以`this`来作为锁对象，java还支持任意对象作为锁来实现同步功能，但需要注意的是作为同步监视器的必须是同一对象，否则运行结果就是异步调用了。

#### 1.3 synchronized静态同步方法 ####

关键字synchronized还可以应用到static静态方法上，这样的话就是一当前的\*.java文件对应的Class类作为锁对象。

**静态同步方法持有的锁对象=synchronized(class)**

public class ThreadTest {
        public static void main(String[] args) {
            ThreadAA threadAA = new ThreadAA();
            threadAA.start();
            ThreadBB threadBB = new ThreadBB();
            threadBB.start();
        }
    }
    
    class ThreadAA extends Thread{
        @Override
        public void run(){
            Add.add("a");
        }
    }
    
    class ThreadBB extends Thread{
        @Override
        public void run(){
            Add.add("b");
        }
    }
    
    class Add{
        private static int num = 0;
        //同步方法
        synchronized static public void add(String username){
            try{
                if (username.equals("a")){
                    num = 100;
                    System.out.println("add a end");
                    Thread.sleep(2000);
                }else {
                    num = 200;
                    System.out.println("add b end");
                }
                System.out.println(username + " name " + num);
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

运行结果

add a end
    a name 100
    add b end
    b name 200

#### 1.4 synchronized类 ####

使用关键字synchronized修饰一个类，那么这个类中所有的方法都是同步方法,在编译得时候会把所有方法自动加上synchronized。

class ClassName {
       public void method() {
          synchronized(ClassName.class) {
             // todo
          }
       }
    }

#### 1.5 synchronized锁重入 ####

synchronized拥有锁重入的功能，也就是在使用synchronized时，当一个线程得到一个对象锁后，再次请求此对象锁时是可以再次得到该对象的锁的。也就是说synchronized方法/代码块的内部调用本类的其他synchronized方法/代码块时，永远可以得到所。

public class ThreadAgain {
        public static void main(String[] args) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    new Service().service1();
                }
            }).start();
        }
    }
    
    class Service{
        synchronized public void service1(){
            System.out.println("service1");
            service2();
        }
    
        synchronized private void service2() {
            System.out.println("service2");
            service3();
        }
    
        synchronized private void service3() {
            System.out.println("service3");
        }
    
    }

运行结果

service1
    service2
    service3

### 2 volatile ###

关键字volatile的作用主要是使变量在多个线程间可见。

是强制从公共堆中取得变量的值，而不是从线程的私有数据栈中取得变量的值。**在多线程中，栈与程序计数器是私有的，堆与全局变量是公有的。**

先看代码

public class MyVolatile {
        public static void main(String[] args) {
            try {
                RunThread runThread = new RunThread();
                runThread.start();
                Thread.sleep(2000);
                runThread.setRun(false);
                System.out.println("为runThread复制false");
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
    }
    
    class RunThread extends Thread{
        private boolean isRun = true;
    
        public boolean isRun() {
            return isRun;
        }
    
        public void setRun(boolean run) {
            isRun = run;
        }
    
        @Override
        public void run(){
            System.out.println("进入了run方法");
            while (isRun == true){
            }
            System.out.println("退出run方法，线程停止");
        }
    }

从控制台可以看到，线程并没有结束。这个问题就是私有堆栈中的值和工有堆栈中的值不同步造成的，想解决这样的问题使用volatile关键字就可以。

修改RunThread类中的代码

class RunThread extends Thread{
       volatile private boolean isRun = true;
    
        public boolean isRun() {
            return isRun;
        }
    
        public void setRun(boolean run) {
            isRun = run;
        }
    
        @Override
        public void run(){
            System.out.println("进入了run方法");
            while (isRun == true){
            }
            System.out.println("退出run方法，线程停止");
        }
    }

再次运行，线程正常结束了。

虽然volatile关键字可以使实例变量在多线程之间可见，但是volatile有一个致命的缺点就是不支持原子性。

验证volatile不支持原子性

public class IsAtomic {
        public static void main(String[] args) {
            MyAtomicRun[] myAtomicRuns = new MyAtomicRun[100];
            for (int i = 0;i<100;i++){
                myAtomicRuns[i] = new MyAtomicRun();
            }
            for (int i = 0;i<100;i++){
                myAtomicRuns[i].start();
            }
        }
    }
    
    class MyAtomicRun extends Thread{
        volatile public static int count;
        private static void count(){
            for (int i = 0;i<100;i++){
                count++;
            }
            System.out.println("count: " + count);
        }
        @Override
        public void run(){
            count();
        }
    }

打印输出

//篇幅较长，没有全部粘贴
    count: 5000
    count: 4900
    count: 4800
    count: 4700
    count: 4600
    count: 4500
    count: 4400
    count: 4400

从输出的结果看，并没有输出我们理想状态中的10000。

对代码进行改进

class MyAtomicRun extends Thread{
        volatile public static int count;
        //需要使用同步静态方法，这样是以class为锁，才能达到同步效果
        synchronized private static void count(){
            for (int i = 0;i<100;i++){
                count++;
            }
            System.out.println("count: " + count);
        }
        @Override
        public void run(){
            count();
        }
    }

打印输出

count: 9300
    count: 9400
    count: 9500
    count: 9600
    count: 9700
    count: 9800
    count: 9900
    count: 10000

这一次输出的才是正确的结果。

关键字volatile主要使用的场合是在多个线程中可以感知实例变量被更改了，并且可以获取最新的值使用，也就是多线程读取共享变量时可以获取最新的值。

#### 2.1 volatile与synchronized的比较 ####

1.  volatile时线程同步的轻量级实现，所以性能肯定比synchronized要好，并且volatile只能修饰变量，而synchronized可以修饰方法，以及代码块。
2.  多线程访问时volatile不会发生阻塞，而synchronized会出现阻塞。
3.  volatile能保证数据的可见性，但不能保证原子性；而synchronized既可以保证原子性，也可以间接保证可见性，因为synchronized是将私有内存和公共内存中的数据同步。
4.  volatile解决的是变量在多个线程之间的可见性；而synchronized解决的是多个线程之间访问资源的同步性。

#### 2.2 变量在内存中的工作 ####

像上面volatile关键字修饰的变量进行++运算这样的操作其实并不是一个原子操作，也就是非线程安全的。

i++操作步骤：

1.  从内存中取出i的值
2.  计算i
3.  将i写入内存

如果在第二步计算的时候另一个线程也修改了i的值，那么这个时候就会出现脏数据。

*  read和load阶段：从主内存复制变量到当前线程的工作内存；
 *  use和assign阶段：执行代码，改变共享变量值；
 *  store和write阶段：用工作内存数据刷新主内存对应的变量值。

在多线程环境中，use和assign是多次出现的，但这个操作并不是原子性的，也就是读取阶段后，如果主内存中的变量值被修改，工作线程的内存因为已经加载过了，所以不会产生对应的变化，就造成了私有内存和公有内存中变量值不同步，计算出来的结果和预期就不一样，出现非线程安全问题。

**对于volatile关键字修饰的变量，jvm只保证从主内存加载到工作内存中的值是最新的。**