一篇文章让你懂得Java多线程编程

怼烎@ 2022-06-07 08:27 178阅读 0赞

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# 背景： #

多线程开发中，重要的一点关注点，就是线程安全，保障数据的一致性，不会出现脏数据。

而对于多线程，主要有三个特性，原子性、可见性、有序性。

# 线程内存管理： #

1.  每一个线程都拥有一份工作内存，是私有的本地内存（local memory），并将共享变量拷贝一份副本存储在私有本地内存中。
2.  线程之间通过主内存（main memory）进行资源共享，所有的变量都存储在主内存中。
3.  线程对变量的所有操作（读取、赋值）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java]

Java内存机制

# 线程通信： #

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 1]

线程通信类型

通过线程之间的通信保持数据的一致性。

消息传递：通过显示的方式进行消息的传递，比如说调用wait()，notify()等方法进行通信。线程之间没有公共的状态，只能通过明确的发送消息来进行通信。

共享内存：线程之间通过读写共享变量来进行隐式的通信。线程与进程（本地内存与公共内存），有8种内存操作：lock/unlock，read/load/use，assign/store/write。

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 2]

原子操作知识图

# Volatile： #

既然每一个线程都有自己的工作内存，会把变量先创建一个副本存储于自己的工作内存内，也就是说，线程并不会实时的去主内存获取变量的值。如果该变量是一个共享变量，这将会导致一系列的问题。比如，该变量是一个开关，那么它将起不了作为一个开关的作用，此时，我们可以使用volatile。

volatile：告诉线程该变量是易变的，不稳定的，在需要使用到由该关键词修饰的变量时，都需要从主内存中重新获取一次，也就是要同时执行read-load-use，执行后对volatile变量操作后，要同时执行assign-store-write。保证所修饰变量的可见性，在一个线程中修改变量的值以后，在其他线程中能够看到这个值。

然而volatile仅仅保证了可见性，但并没有保证原子性。也就是一个对volatile变量的操作，并不是马上回写到主内存中的。

# synchronized： #

synchronized主要针对的是执行顺序，通过synchronized来控制一段代码是否允许并发来达到对执行顺序的控制。同时，synchronized还会创建一个内存屏障，内存屏障指令保证了所有CPU操作结果都会直接刷到主存中，从而保证了操作的内存可见性。

# Java原子操作atomic #

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 3]

Java提供原子操作

Java自身提供了一些保障原子操作的对象，如上图所示。如我们常用的AtomicInteger，能够保证原子性。它提供了一些自增自减的原子性操作，保障了多线程并发的线程安全。

以上是JAVA多线程涉及一些基础知识，下面我们将通过一个个实例，进一步深入理解多线程。

> 首先，我们编写一个公共的多线程执行类：

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 4]

多线程执行类

# 案例一--没有任何保护的多线程任务： #

下面我们采用共享内存的方式进行通信：

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 5]

简单业务类

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 6]

运行结果

解析：

每一个线程在执行时，都会执行一次read-load的原子操作。然而大量线程执行read-load操作时，前面的线程还未执行store-write操作进行回写时，后面的线程已经执行了read-load操作。出现read-read-load-load-store-store-write-write的操作。致使一些自加未正确的统计到count中。

# 案例二--使用volatile保证可见性    #

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 7]

使用volatile修饰变量

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 8]

运行结果

解析：

Volatile仅仅保证了可见性，也就是说，保证了每一个线程使用该变量时，都会从共享内存中去获取最新的值，但并没有保证原子性，意味着，后面的线程去取这个值时，前面的线程并还没有将执行后的值回写到主内存中。

# 案例三--使用原子操作对象AtomicInteger #

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 9]

使用AtomicInteger保证原子性

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 10]

运行结果

解析：

终于，这里我们获得了正确的数据了。因为AtomicInteger能够保证对象的原子性。即每次只能有一个线程能够对该对象进行操作，且操作前是从主内存获取并且执行完后又立即回写到主内存中。

# 案例四--使用synchronized锁住非static方法： #

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 11]

synchronized加锁非static方法

> 然后我们改写执行类：  
>

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 12]

更改为每条线程创建一个对象

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 13]

执行结果

> 我们再恢复一下多线程执行类：  
>

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 14]

只创建一个对象

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 15]

执行结果

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 16]

但运行结果却在第103条线程结束时已经打印

解析：

首先，我们要正确理解synchronized修饰普通方法时的意义：

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 17]

如上图，当你使用到如左图methodA时，其实它的真实作用如右图所示。synchronized会锁住自身整个对象。所以在本案例中，我们先采用的是每一条线程new一个新对象，这样，在多线程执行的时候，每一条线程synchronized加锁的都是自己所new的对象，并没有能够起到一个互斥的作用。而在后面，我们修改了一些多线程的代码，所有的线程都共享一个对象，这时候synchronized加锁对象只有一个选择，就能在各个线程中起到了一个互斥的作用。

但在执行过程中，我们print统计对象Count时，在第103条线程执行完就已经print出来，因为此时，主线程已经发起了2000条线程，只是因为互斥，大家都在排队等待执行。

既然synchronized修饰非static方法时，是锁住this，也就是对象本身，那我们扩展一下，以下methodA和methodB可以同时调用吗？

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 18]

答案是否定的，因为使用这两个方法的其中一个，都需要先加锁该对象，所以这两个方法是互斥。

# 案例五--使用synchronized锁住static方法 #

上一个案例，我们讲解了synchronized修饰非static方法，自然也有人会问，如果用synchronized修饰static方法会怎样？

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 19]

synchronized修饰static方法

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 20]

执行结果

解析：

在这个案例，我没有贴出多线程执行类，因为不管你怎么多线程调用（只创建一个对象还是每条线程创建一个对象，都会一样的结果，均可以获得准确的结果。）

这是为什么呢？同样，我们也要清晰理解，这时候synchronized加锁的是什么东西。

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 21]

synchronized修饰static方法，它相当于锁住的是类。所以不管你创建多少对象，它锁住的是这个class，一样可以起到互斥的作用。

# 案例六--同一个类中既有synchronized修饰的static方法也有synchronized修饰非static方法： #

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 22]

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 23]

每条线程两次调用count++

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 24]

结果

解析：

单独调用inc()或者inc2()方法，都可以得到2000，但每条线程同时调用inc()和inc2()，却得到4000。

让我们回忆一下，案例4和案例5所描述的，synchronized修饰普通方法时，synchronized锁住的是this，也就是对象。而synchronized修饰static方法时，synchronized锁住的是class。所以同时调用这两个方法，并不能起到一个互斥的作用。

# 案例七--创建一个lock属性，用synchronized进行加锁 #

> lock为普通属性：

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 25]

我们采用案例4的多线程执行类：

如果只所有线程只创建一个对象，可以稳定得到2000。

如果每条线程都创建一个自己的对象，那么将得不到2000。

> lock为静态属性：

![一篇文章让你懂得Java多线程编程][Java 26]

不管是否共享一个对象还是创建多个对象，依然可以稳定得到2000。

解析：

synchronized修饰对象与修饰方法具有同样的道理。

结语：

希望通过以上一些简单的小例子，能够让你对Java的多线程有了一个初步的了解。

[Java]: http://p3.pstatp.com/large/39b80001b6b52101d786
[Java 1]: /images/20220607/97ae37dbb8ca4eea9c40091d976a22ff.png
[Java 2]: /images/20220607/2bc9d25310954041920486e2da1ce9ec.png
[Java 3]: http://p3.pstatp.com/large/3a02000517bf02ec2d46
[Java 4]: /images/20220607/f13303cf7f9341ed95bb911d7791ec74.png
[Java 5]: http://p3.pstatp.com/large/39b70004244cf555f7b5
[Java 6]: http://p3.pstatp.com/large/39bc00012b8d23856d44
[Java 7]: http://p3.pstatp.com/large/39f80000a9676e73b77d
[Java 8]: http://p3.pstatp.com/large/39fc00008fd978677e16
[Java 9]: http://p3.pstatp.com/large/39fe00020352d981c5ac
[Java 10]: http://p3.pstatp.com/large/39fb0003e97f639e760c
[Java 11]: /images/20220607/f9c0844863554c40893fbaed3efbbbc0.png
[Java 12]: http://p3.pstatp.com/large/3a0400002b4fe9269030
[Java 13]: http://p3.pstatp.com/large/3a0000020d8bce961ede
[Java 14]: http://p3.pstatp.com/large/39fa0002148b1dcfdf58
[Java 15]: http://p3.pstatp.com/large/3a0400002bee461a8ee3
[Java 16]: http://p3.pstatp.com/large/39fa000214bdb088e20d
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[Java 18]: http://p3.pstatp.com/large/3a060000025f3b8725c7
[Java 19]: /images/20220607/78352d8d493648d495a3c18028ff12b4.png
[Java 20]: http://p3.pstatp.com/large/3a0000052da23bfed254
[Java 21]: http://p3.pstatp.com/large/3a06000004f9f3c99a0a
[Java 22]: /images/20220607/2770cee1bba54fe29d28fce58c4f17cd.png
[Java 23]: http://p3.pstatp.com/large/3a0200051442547ad633
[Java 24]: http://p9.pstatp.com/large/3a0400034da9a100f92e
[Java 25]: http://p9.pstatp.com/large/3a020005164a8affced3
[Java 26]: http://p3.pstatp.com/large/3a0500000e8e7a41d1fd