java实现同步的几种方式

水深无声 2021-09-14 22:46 461阅读 0赞

为何要同步？

> java允许许多线程并发控制，当多个线程同时操作一个可共享的资源变量是（如数据的增、删、改、查），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。

一、实例

> 举个例子，如果一个银行账户同时被两个线程操作，一个取100块，一个存钱100块。假设账户原本有0块，如果取钱线程和存钱线程同时发生，会出现什么结果呢？取钱不成功，账户余额是100.取钱成功了，账户余额是0。但哪个余额对应哪个呢？很难说清楚，因此多线程的同步问题就应运而生。

二、不使用同步方法时

Bank.java

public class Bank{
    	private int count=0;//账号余额
    	
    	//存钱
    	public void addMoney(int money){
    		count+=money;
    		System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money);
    		//System.currentTimeMillis()产生一个当前的毫秒，这个毫秒其实就是自1970年1月1日0时起的毫秒数
    	}
    	
    	//取钱
    	public void subMoney(int money){
    		if(count-money<0){
    			System.out.println("余额不足");
    			return;
    		}
    		count-=money;
    		System.out.println(System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
    	}
    	
    	//查询
    	public void lookMoney(){
    		System.out.println("账户余额："+count);
    	}
    }

SyncThreadTest.java

package threadTest;
    
    
    public class SyncThreadTest {
    
        public static void main(String args[]){
            final Bank bank=new Bank();
            
            Thread tadd=new Thread(new Runnable() {
                
                @Override
                public void run() {
                    // TODO Auto-generated method stub
                    while(true){
                        try {
                            Thread.sleep(1000);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            // TODO Auto-generated catch block
                            e.printStackTrace();
                        }
                        bank.addMoney(100);
                        bank.lookMoney();
                        System.out.println("\n");
                        
                    }
                }
            });
            
            Thread tsub = new Thread(new Runnable() {
                
                @Override
                public void run() {
                    // TODO Auto-generated method stub
                    while(true){
                        bank.subMoney(100);
                        bank.lookMoney();
                        System.out.println("\n");
                        try {
                            Thread.sleep(1000);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            // TODO Auto-generated catch block
                            e.printStackTrace();
                        }    
                    }
                }
            });
            tsub.start();
            
            tadd.start();
        }
    }

运行结果如下：

1502542307917取出：100
    账号余额：100
    
    
    1502542308917存进:100
    1502542308917取出：100
    账号余额：0
    
    
    账号余额：0
    
    
    1502542309917存进:100
    账号余额：0
    
    
    1502542309917取出：100
    账号余额：0

此时出现了非线程安全问题，因为两个线程同时访问一个没有同步的方法，如果这两个线程同时操作业务对象中的实例变量，就有可能出现非线程安全问题。

解决方案：只需要在public void run()前面加synchronized关键词即可。

三、使用同步时的方案

**1、同步方法**

> 即有synchronized关键词修饰的方法。
> 
> 由于java的每个对象都有一个内置锁，当用此关键字修饰方法时，内置锁会保护整个方法。在调用该方法前，需要获得内置锁，否则就处于阻塞状态。

> > 代码如下：

> > public synchronized void save()\{\}

> **注：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**

public class Bank {
    
        private int count =0;//账户余额
        
        //存钱
        public  synchronized void addMoney(int money){
            count +=money;
            System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money);
        }
        
        //取钱
        public  synchronized void subMoney(int money){
            if(count-money < 0){
                System.out.println("余额不足");
                return;
            }
            count -=money;
            System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
        }
        
        //查询
        public void lookMoney(){
            System.out.println("账户余额："+count);
        }
    }

运行结果：

余额不足
    账号余额：0
    
    
    1502543814934存进:100
    账号余额：100
    
    
    1502543815934存进:100
    账号余额：200
    
    
    1502543815934取出：100
    账号余额：100

这样就实现了线程同步。

**2、同步代码块**

> **即有synchronized关键字修饰的语句块。**
> 
> **被该关键字修饰的语句块会自动被加上内置锁，从而实现同步**

代码如下：

synchronized(object){
    
    }

> 注：**1、同步是一种高开销的操作，因此应尽量减少同步的内容。**
> 
> **2、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。**

public class Bank {
        private int count =0;//账户余额
        //存钱
        public  void addMoney(int money){
            synchronized (this) {
                count +=money;
            }
            System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money);
        }
        //取钱
        public   void subMoney(int money){
            synchronized (this) {
                if(count-money < 0){
                    System.out.println("余额不足");
                    return;
                }
                count -=money;
            }
            System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
        }
        //查询
        public void lookMoney(){
            System.out.println("账户余额："+count);
        }
    }

运行结果：

余额不足
    账户余额：0
    
    
    余额不足
    账户余额：100
    
    
    1502544966411存进：100
    账户余额：100
    
    
    1502544967411存进：100
    账户余额：100
    
    
    1502544967411取出：100
    账户余额：100
    
    
    1502544968422取出：100

这样也实现了线程同步，运行效率上来说也比方法同步效率高，**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**。

**3、使用特殊域变量（volatile）实现线程同步**

> a.volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制
> 
> b.使用volatile修饰符相当于告诉虚拟机该域可能会被其他线程更新
> 
> c.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
> 
> d.volatile不会提供任何原子操作，它也不能用来修饰fianl类型的变量

Bank.java代码如下：

package com.thread.demo;
    
    /**
     * Created by HJS on 2017/8/12.
     */
    public class Bank {
        private volatile int count =0;//账户余额
        //存钱
        public  void addMoney(int money){
            synchronized (this) {
                count +=money;
            }
            System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money);
        }
        //取钱
        public   void subMoney(int money){
            synchronized (this) {
                if(count-money < 0){
                    System.out.println("余额不足");
                    return;
                }
                count -=money;
            }
            System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
        }
        //查询
        public void lookMoney(){
            System.out.println("账户余额："+count);
        }
    }

运行结果：

余额不足
    账户余额：0
    
    
    余额不足
    账户余额：100
    
    
    1502546287474存进：100
    账户余额：100
    
    
    1502546288474存进：100
    1502546288474取出：100
    账户余额：100

此时，顺序又乱了，说明同步又出现了问题，因为volatile不能保证原子操作导致的，因此volatile不能代替synchronized。此外，volatile会组织编译器对代码优化，因此能不使用它就不使用它，**它的原理是每次要线程访问volatile修饰的变量时都是从内存中读取，而不是从缓存中读取，因此每个线程访问到的变量值都是一样的。这样就保证了同步。**

**对于可见性，Java提供了volatile关键字来保证可见性。**

**当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。**

**而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。**

**另外，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。**

**4、使用重入锁实现线程同步**

> 在javaSE5.0中新增了一个java.util.concurrent包来支持同步。ReentrantLock类是可重入（重复进入）、互斥、实现了Lock接口的锁,它与使用synchronized方法和块具有相同的基本行为和语义，并且扩展了其能力。
> 
> **ReentrantLock():创建一个ReentrantLock实例**
> 
> **lock():获得锁**
> 
> **unlock()：释放锁**
> 
> **注：ReetrantLock()还有一个可以创建公平锁的构造方法，但由于能大幅度降低程序运行效率，不推荐使用。**

Bank.java代码修改如下：

public class Bank {
    
        private  int count = 0;// 账户余额
        //需要声明这个锁
        private Lock lock = new ReentrantLock();
    
        // 存钱
        public void addMoney(int money) {
            lock.lock();//上锁
            try{
                count += money;
                System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进：" + money);
    
            }finally{
                lock.unlock();//解锁
            }
        }
        // 取钱
        public void subMoney(int money) {
            lock.lock();
            try{
    
                if (count - money < 0) {
                    System.out.println("余额不足");
                    return;
                }
                count -= money;
                System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money);
            }finally{
                lock.unlock();
            }
        }
        // 查询
        public void lookMoney() {
            System.out.println("账户余额：" + count);
        }
    }

运行效果：

余额不足
    账户余额：0
    
    
    1502547439892存进：100
    账户余额：100
    
    
    1502547440892存进：100
    账户余额：200
    
    
    1502547440892取出：100
    账户余额：100

**注：关于Lock对象和synchronized关键字的选择：**

> **a.最好两个都不用，使用一种java.util.concurrent包提供的机制，能够帮助用户处理所有与锁相关的代码。**
> 
> **b.如果synchronized关键字能满足用户的需求，就用synchronized，因为它能简化代码。**
> 
> **c.如果需要更高级的功能，就用ReentrantLock类，此时要注意计算释放锁，否则会出现死锁，通常在finally代码释放锁。**

**5、使用局部变量实现线程同步**

Bank.java代码如下：

public class Bank {
    
        private static ThreadLocal<Integer> count = new ThreadLocal<Integer>(){
            @Override
            protected Integer initialValue() {
                // TODO Auto-generated method stub
                return 0;
            }
    
        };
        // 存钱
        public void addMoney(int money) {
            count.set(count.get()+money);
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进：" + money);
    
        }
    
        // 取钱
        public void subMoney(int money) {
            if (count.get() - money < 0) {
                System.out.println("余额不足");
                return;
            }
            count.set(count.get()- money);
            System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money);
        }
    
        // 查询
        public void lookMoney() {
            System.out.println("账户余额：" + count.get());
        }
    }

运行效果：

余额不足
    账户余额：0
    
    
    余额不足
    1502547748383存进：100
    账户余额：100
    账户余额：0
    
    
    
    
    余额不足
    账户余额：0
    
    
    1502547749383存进：100
    账户余额：200

看了运行效果，一开始一头雾水，怎么只让存，不让取啊？看看ThreadLocal的原理：

> 如果使用ThreadLocal管理变量，则每一个使用该变量的线程都获得该变量的副本，副本之间相互独立，这样每一个线程都可以随意修改自己的变量副本，而不会对其他线程产生影响。现在明白了，原来每个线程运行的都是一个副本，也就是说存钱和取钱是两个账户，只是名字相同而已，所有会发生上面的效果。

**ThreadLocal类的常用方法**

> ThreadLocal():创建一个线程本地变量
> 
> get():返回此线程局部变量的当前线程副本中的值
> 
> initialValue():返回此线程局部变量的当前线程的“初始值”
> 
> set(T value):将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为value
> 
>  
> 
> **注：ThreadLocal与同步机制**

> > a.ThreadLocal与同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。
> > 
> > b.前者采用以“空间换时间”的方法，后者采用以“时间换空间”的方法

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