多线程学习笔记（二）之线程安全问题

痛定思痛。 2022-06-17 08:51 249阅读 0赞

# 线程安全问题的现象 #

首先让我们考虑一个问题：

class Demo implements Runnable{
        
        private int num = 100;
        //实现Runnable接口，覆盖run方法
        public void run(){
            show();
        }
        public void show(){
            while (true){
                if (num>0){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...sale..."+num--);
                }
            }
        }
    }
    public class ThreadDemo {
        
    
        public static void main(String[] args) {
            Demo d = new Demo();
            Thread t1 = new Thread(d);
            Thread t2 = new Thread(d);
            Thread t3 = new Thread(d);
            Thread t4 = new Thread(d);
            t1.start();
            t2.start();
            t3.start();
            t4.start();
        }
    }

![这里写图片描述][SouthEast]

我们假设这样一种情况，当num=1时，执行Thread-0的时候，恰巧执行完if（num>0）的判断语句后切换到了1并且执行完System语句又回到Thread-0，那么将会出现问题，Thread-0线程将会输出-1.（由于线程切换是随机的而导致的错误），注意由于类是覆盖Runnable接口的run方法，接口没有声明过异常，因此不能在run方法后通过throws抛出异常，而只能使用try\{\}catch\{\}块。

# 线程安全问题的原因 #

原因：  
1、多个线程在操作共享的数据。  
2、操作共享数据的线程代码有多条，一个线程正在进行，还没有结束的时候其他线程进行了一些操作。

# 同步代码块synchronized #

解决思路：就是将多条操作共享数据的线程代码封装起来，当有线程在执行这些代码的时候，其他线程不可以参与运算，必须要把当前线程都执行完毕后，其他线程才可以参与运算。

class Demo implements Runnable{
        
        private int num = 100;
        private Object lock = new Object();
        //实现Runnable接口，覆盖run方法
        public void run(){
            while (true){
                synchronized (lock){
                    if (num>0){
                        try{
                            Thread.sleep(10);
                        }catch (InterruptedException e){
    
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...sale..."+num--);
                    }
                }
    
            }
        }
    }

在Java中使用同步代码块就可以解决这个问题，同步代码块的格式：

synchronize（对象）{
        需要被同步的代码块；
    }

其中的“对象”相当于一个锁，只有执行完该代码块才能释放该对象锁，下一个线程才能执行并锁定该对象。

**给指定对象加锁**

/**
     * 银行账户类
     */
    class Account {
       String name;
       float amount;
    
       public Account(String name, float amount) {
          this.name = name;
          this.amount = amount;
       }
       //存钱
       public  void deposit(float amt) {
          amount += amt;
          try {
             Thread.sleep(100);
          } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
          }
       }
       //取钱
       public  void withdraw(float amt) {
          amount -= amt;
          try {
             Thread.sleep(100);
          } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
          }
       }
    
       public float getBalance() {
          return amount;
       }
    }
    
    /**
     * 账户操作类
     */
    class AccountOperator implements Runnable{
       private Account account;
       public AccountOperator(Account account) {
          this.account = account;
       }
    
       public void run() {
          synchronized (account) {
             account.deposit(500);
             account.withdraw(500);
             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + account.getBalance());
          }
       }
    }

调用代码：

Account account = new Account("zhang san", 10000.0f);
    AccountOperator accountOperator = new AccountOperator(account);
    
    final int THREAD_NUM = 5;
    Thread threads[] = new Thread[THREAD_NUM];
    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i ++) {
       threads[i] = new Thread(accountOperator, "Thread" + i);
       threads[i].start();
    }

结果：

Thread3:10000.0 
    Thread2:10000.0 
    Thread1:10000.0 
    Thread4:10000.0 
    Thread0:10000.0

在AccountOperator 类中的run方法里，我们用synchronized 给account对象加了锁。这时，当一个线程访问account对象时，其他试图访问account对象的线程将会阻塞，直到该线程访问account对象结束。也就是说谁拿到那个锁谁就可以运行它所控制的那段代码。

当有一个明确的对象作为锁时，就可以用类似下面这样的方式写程序。

public void method3(SomeObject obj)
    {
       //obj 锁定的对象
       synchronized(obj)
       {
          // todo
       }
    }

当没有明确的对象作为锁，只是想让一段代码同步时，可以创建一个特殊的对象来充当锁：

class Test implements Runnable
    {
           
        private byte[] lock = new byte[0];  
       //private Object lock = new Object();  // 特殊的instance变量
       public void method()
       {
          synchronized(lock) {
             // todo 同步代码块
          }
       }
    
       public void run() {
            method();
       }
    }

**说明：零长度的byte数组对象创建起来将比任何对象都经济――查看编译后的字节码：生成零长度的byte\[\]对象只需3条操作码，而Object lock = new Object()则需要7行操作码。**

**synchronized总结**  
A. 无论synchronized关键字加在方法上还是对象上，如果它作用的对象是非静态的，则它取得的锁是对象；如果synchronized作用的对象是一个静态方法或一个类，则它取得的锁是对类，该类所有的对象同一把锁。  
B. 每个对象只有一个锁（lock）与之相关联，谁拿到这个锁谁就可以运行它所控制的那段代码。  
C. 实现同步是要很大的系统开销作为代价的,因为同步外的线程都会判断同步锁，甚至可能造成死锁，所以尽量避免无谓的同步控制。

同步的好处：解决了线程的安全问题  
同步的弊端：相对降低了效率，因为同步外的线程都会判断同步锁

**同步的前提：**同步中必须有多个线程，并使用同一个锁

class Test implements Runnable
    {
           
       public void method()
       {
          synchronized(lock) {
             // todo 同步代码块
          }
       }
    
       public void run() {
            private byte[] lock = new byte[0];  
           //private Object lock = new Object();  // 特殊的instance变量
            method();
       }
    }

如上所示的修改导致每个线程开启运行自己的run方法时，每个run方法都有自己的局部变量lock，因此不是同一个锁。而像正确的方式时，栈中保存的多个引用都指向同一个锁（原理类似于深复制，浅复制），因此可以保证安全。

# 同步函数 #

先来看一个例子：

class Bank{
        
        private int sum;
        public void add(int num){
            sum+=num;
            System.out.println("sum="+sum);
        }
    }
    
    class Cus implements Runnable{
        
        Bank b = new Bank();//对象b是多个线程的共享数据
        public void run(){
            for (int x=0;x<3;x++){
                b.add(100);
            }
        }
    }
    public class ThreadDemo {
        
    
        public static void main(String[] args) {
            Cus c = new Cus();
            Thread t1 = new Thread(c);
            Thread t2 = new Thread(c);
            t1.start();
            t2.start();
        }
    }

![这里写图片描述][SouthEast 1]

当一个线程执行sum+=num;之后，还没有执行System语句cpu变切换到其他线程就造成如上现象。

修改（加上同步块）：

class Bank{
        private int sum;
        private Object lock = new Object();
        public void add(int num){
            synchronized (lock){
                sum+=num;
                System.out.println("name="+Thread.currentThread().getName()+"sum="+sum);
            }
        }
    }

仔细观察上述代码，同步代码块synchronized是一个封装体（带有同步特性），而函数add本身也是种封装，因此让函数具有“同步性”即可：

class Bank{
        
        private int sum;
        public synchronized void add(int num){
            sum+=num;
            System.out.println("name="+Thread.currentThread().getName()+"sum="+sum);
        }
    }

我们回过来看上面出现过的一个问题的代码（进行了一些修改）：

class Demo implements Runnable{
        
        private int num = 100;
        //实现Runnable接口，覆盖run方法
        public synchronized void run(){
            while (true){
                    if (num>0){
                        try{
                            Thread.sleep(10);
                        }catch (InterruptedException e){
    
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...sale..."+num--);
                    }           
            }
        }
    }

会出现一个问题，同步的范围加大了，因为只有if语句之后的部分是需要同步的，而范围扩大到了run方法，导致一个线程进行run方法，其他线程无法进行，因此num–的操作完全由一个线程完成了。

正确的范围加同步：

class Demo implements Runnable{
        
        private int num = 100;
        //实现Runnable接口，覆盖run方法
        public void run(){
            while (true){
                synchronized (this){
                    if (num>0){
                        try{
                            Thread.sleep(10);
                        }catch (InterruptedException e){
    
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...sale..."+num--);
                    }
                }
    
            }
        }
    }

或将同步部分提出来单独封装到一个方法中：

class Demo implements Runnable{
        
        private int num = 100;
        //实现Runnable接口，覆盖run方法
        public void run(){
            while (true){            
               show();
            }
        }
        public synchorized show(){
             if (num>0){
                 try{
                     Thread.sleep(10);
                  }catch (InterruptedException e){
    
                        }
                                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...sale..."+num--);
                    }
        }
    }

因此可以总结出同步函数的格式：

写法一：

public synchronized void method()
    {
       // todo
    }

写法二：

public void method()
    {
       synchronized(this) {
          // todo
       }
    }

写法一修饰的是一个方法，写法二修饰的是一个代码块，但写法一与写法二是等价的，都是锁定了整个方法时的内容。

**同步函数所用的锁是this**：同步函数仅仅是函数带有了同步性，同步synchronized本身是不带有锁的，因此函数是带有锁的，函数使用的时候是被对象调用的，函数都有自己所属的this，例如上述实例：

class Bank{
        
        private int sum;
        public void add(int num){
            sum+=num;
            System.out.println("sum="+sum);
        }
    }
    
    class Cus implements Runnable{
        
        Bank b = new Bank();//对象b是多个线程的共享数据
        public synchronized void run(){
            System.out.println("this:"+this);
            for (int x=0;x<3;x++){
                b.add(100);
            }
        }
    }
    public class ThreadDemo {
        
    
        public static void main(String[] args) {
            Cus c = new Cus();
            System.out.println("this:"+c);
            Thread t1 = new Thread(c);
            Thread t2 = new Thread(c);
            t1.start();
            t2.start();
        }
    }

![这里写图片描述][SouthEast 2]

对比hash值即可发现，同步函数使用的锁是this，因此保证各个线程使用的是相同的锁。

**同步函数与同步代码块的区别：**

*  同步函数的锁是固定的this，同步代码块的锁可以是任意的对象
 *  同步代码块中使用的锁是this时可以简化为同步函数

# 静态同步函数 #

首先，静态函数本身不具有this，静态的同步函数使用的锁是该函数所属的字节码文件对象，可以用getClass方法获取，也可以使用“类名.class”表示（类的字节码文件是唯一的，只不过可以创建多个对象而已，如果是静态方法中，使用“类名.class”，因为getClass方法不是静态方法）

class SyncThread implements Runnable {
        
       private static int count;
    
       public SyncThread() {
          count = 0;
       }
    
       public synchronized static void method() {
          for (int i = 0; i < 5; i ++) {
             try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
                Thread.sleep(100);
             } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
             }
          }
       }
    
       public synchronized void run() {
          method();
       }
    }

调用代码：

SyncThread syncThread1 = new SyncThread();
    SyncThread syncThread2 = new SyncThread();
    Thread thread1 = new Thread(syncThread1, "SyncThread1");
    Thread thread2 = new Thread(syncThread2, "SyncThread2");
    thread1.start();
    thread2.start();

结果：

SyncThread1:0 
    SyncThread1:1 
    SyncThread1:2 
    SyncThread1:3 
    SyncThread1:4 
    SyncThread2:5 
    SyncThread2:6 
    SyncThread2:7 
    SyncThread2:8 
    SyncThread2:9

syncThread1和syncThread2是SyncThread的两个对象，但在thread1和thread2并发执行时却保持了线程同步。这是因为run中调用了静态方法method，而静态方法是属于类的，所以syncThread1和syncThread2相当于用了同一把锁。这与Demo1是不同的。synchronized作用于一个类T时，是给这个类T加锁，T的所有对象用的是同一把锁。

# synchorized注意事项 #

（1） synchronized关键字不能继承。

虽然可以使用synchronized来定义方法，但synchronized并不属于方法定义的一部分，因此，synchronized关键字不能被继承。如果在父类中的某个方法使用了synchronized关键字，而在子类中覆盖了这个方法，在子类中的这个方法默认情况下并不是同步的，而必须显式地在子类的这个方法中加上synchronized关键字才可以。当然，还可以在子类方法中调用父类中相应的方法，这样虽然子类中的方法不是同步的，但子类调用了父类的同步方法，因此，子类的方法也就相当于同步了。这两种方式的例子代码如下：  
在子类方法中加上synchronized关键字：

class Parent {
        
       public synchronized void method() { }
    }
    class Child extends Parent {
        
       public synchronized void method() { }
    }

在子类方法中调用父类的同步方法

class Parent {
        
       public synchronized void method() {   }
    }
    class Child extends Parent {
        
       public void method() { super.method();   }
    }

（2）在定义接口方法时不能使用synchronized关键字。

（3）构造方法不能使用synchronized关键字，但可以使用synchronized代码块来进行同步。

（4）一个线程进入一个对象的synchronized方法（非静态）时，其他线程是否可以进入此对象的其他方法？  
这取决于其他方法本身，可以访问该对象的非synchronized方法或者静态synchronized方法，因为静态static方法用的同步锁是当前类的字节码，与非静态方法不能同步（非静态的方法的锁用的是this），因此两个方法不是用的同一个锁，因此静态方法可以被调用。

# 死锁 #

死锁的原因：同步的嵌套

class Demo implements Runnable{
        private int num = 100;
        public boolean flag = true;
        private Object lock = new Object();
        //实现Runnable接口，覆盖run方法
        public void run(){
            if (flag){
                while (true){
                    synchronized (lock){
                        show();//持有锁lock，想进入锁是this的show方法
                    }
                }
            }else {
                while (true){
                    show();//持有锁this，但是show方法中想要执行需要锁lock
                }
            }
        }
        public synchronized void show(){
            synchronized (lock){
                if (num>0){
                    try{
                        Thread.sleep(10);
                    }catch (InterruptedException e){
    
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...sale..."+num--);
                }
            }
        }
    }
    
    public class SingleDemo {
        public static void main(String[] args) {
            Demo t = new Demo();
            Thread t1 = new Thread(t);
            Thread t2 = new Thread(t);
            t1.start();
            try{
                Thread.sleep(10);
            }catch (InterruptedException e){
    
            }
            t.flag = false;
            t2.start();
        }
    }

[SouthEast]: /images/20220617/ea36bc74152f4e4ea5beffbb7a1ea39c.png
[SouthEast 1]: /images/20220617/58149bdd00474ba6a0d2cd88078d3350.png
[SouthEast 2]: /images/20220617/6dd28e00e643417dbffdc468fbc8d253.png