Java 多线程同步的五种方法

忘是亡心i 2022-07-27 14:48 131阅读 0赞

## 一、为什么要线程同步 ##

因为当我们有多个线程要同时访问一个变量或对象时，如果这些线程中既有读又有写操作时，就会导致变量值或对象的状态出现混乱，从而导致程序异常。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.那到底是哪个呢？很难说清楚。因此多线程同步就是要解决这个问题。

## 二、不同步时的代码 ##

Bank.java

package threadTest;  
    
    /** 
     * @author ww 
     * 
     */  
    public class Bank {  
    
        private int count =0;//账户余额  
    
        //存钱  
        public  void addMoney(int money){  
            count +=money;  
            System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money);  
        }  
    
        //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();  
        }  
    
    }

代码很简单，我就不解释了，看看运行结果怎样呢？截取了其中的一部分，是不是很乱，有些看不懂。

余额不足  
    账户余额：0  
    
    余额不足  
    账户余额：100  
    
    1441790503354存进：100  
    账户余额：100  
    
    1441790504354存进：100  
    账户余额：100  
    
    1441790504354取出：100  
    账户余额：100  
    
    1441790505355存进：100  
    账户余额：100  
    
    1441790505355取出：100  
    账户余额：100

## 三、使用同步时的代码 ##

### （1）同步方法： ###

即有synchronized关键字修饰的方法。 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。

修改后的Bank.java

package threadTest;  
    
    /** 
     * @author ww 
     * 
     */  
    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);  
        }  
    }

再看看运行结果：

余额不足  
    账户余额：0  
    
    余额不足  
    账户余额：0  
    
    1441790837380存进：100  
    账户余额：100  
    
    1441790838380取出：100  
    账户余额：0  
    1441790838380存进：100  
    账户余额：100  
    
    1441790839381取出：100  
    账户余额：0

瞬间感觉可以理解了吧。

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

### （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

Bank.java代码如下：

package threadTest;  
    
    /** 
     * @author ww 
     * 
     */  
    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);  
        }  
    }

运行结果如下：

余额不足  
    账户余额：0  
    
    1441791806699存进：100  
    账户余额：100  
    
    1441791806700取出：100  
    账户余额：0  
    
    1441791807699存进：100  
    账户余额：100

效果和方法一差不多。

注：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修饰域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final类型的变量

Bank.java代码如下：

package threadTest;  
    
    /** 
     * @author ww 
     * 
     */  
    public class Bank {  
    
        private volatile int count = 0;// 账户余额  
    
        // 存钱  
        public void addMoney(int money) {  
    
            count += money;  
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进：" + money);  
        }  
    
        // 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);  
        }  
    }

运行效果怎样呢？

余额不足  
    账户余额：0  
    
    余额不足  
    账户余额：100  
    
    1441792010959存进：100  
    账户余额：100  
    
    1441792011960取出：100  
    账户余额：0  
    
    1441792011961存进：100  
    账户余额：100

是不是又看不懂了，又乱了。这是为什么呢？就是因为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适用它吧。它的原理是每次要线程要访问volatile修饰的变量时都是从内存中读取，而不是存缓存当中读取，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。

### （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、互斥、实现了Lock接口的锁， 它与使用synchronized方法和快具有相同的基本行为和语义，并且扩展了其能力。  
ReenreantLock类的常用方法有：  
ReentrantLock() : 创建一个ReentrantLock实例  
lock() : 获得锁  
unlock() : 释放锁  
注：ReentrantLock()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：

package threadTest;  
    
    import java.util.concurrent.locks.Lock;  
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;  
    
    /** 
     * @author ww 
     * 
     */  
    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);  
        }  
    }

运行效果怎么样呢？

余额不足  
    账户余额：0  
    
    余额不足  
    账户余额：0  
    
    1441792891934存进：100  
    账户余额：100  
    
    1441792892935存进：100  
    账户余额：200  
    
    1441792892954取出：100  
    账户余额：100

效果和前两种方法差不多。

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 。如果需要更高级的功能，就用ReentrantLock类，此时要注意及时释放锁，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：

package threadTest;  
    
    /** 
     * @author ww 
     * 
     */  
    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  
    账户余额：0  
    
    1441794247939存进：100  
    账户余额：100  
    
    余额不足  
    1441794248940存进：100  
    账户余额：0  
    
    账户余额：200  
    
    余额不足  
    账户余额：0  
    
    1441794249941存进：100  
    账户余额：300

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。现在明白了吧，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，知识名字相同而已。所以就会发生上面的效果。

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”的方式

[Volatile]: http://www.codeceo.com/article/java-volatile-var.html
[ThreadLocal]: http://www.codeceo.com/article/threadlocal-usage.html