java同步机制简单介绍

Love The Way You Lie 2022-08-25 05:18 140阅读 0赞

在java编程里经常听到类似的术语: 这个函数是不是同步的...

本文就简单介绍下什么是同步， java中同步的一些处理方法。

##     ##

## 1.同步问题产生的原因 ##

Java中同步问题是伴随这多线程而产生的， 也就是说如果一个程序是单线程的， 那么就没有同步的概念。

举1个最常见的例子：

假如1个售票程序支持多个线程同时售票。

它里面的核心代码大概是这样的：

void sellTickets{
    
        买票者身份验证();
    
        一些前期步骤();
    
        if (剩余票数()>0){
    
            卖一张票();
    
            剩余票数减一;
    
            交易额加上票的单价;
    
        }
    
    }

这部分代码假如只有一条线程来执行是毫无问题的.

但是假如有A B C三条线程来同时执行. 也就是三条线程同时来售票. 就可能会出现问题了.

例如库存里共有50张票

cpu首先执行A线层, 执行完 "卖一张票()"时, cpu突然跳到另1个线层B去执行. 线程B检查剩余票数, 还是50张.

这就出问题了, 因为A线程虽然卖出了一张票, 但是剩余票数还未减一,  那么第一张票可能被重复出售. 产生数据错误.

所以同步问题产生的根本原因是:

1. 多线程.

2. 多线程**同时**访问并修改同一段数据.

下面可以举个例子:

package Thread_kng.Td_synchronized;
    
    class Sell_ticket implements Runnable{
    	public int tickets = 50; //count of tickets
    	public int unit_price = 30; //unit_price of per ticket
    	public int sum_price = 0; //total turnover
    
    	private int pre_counts;
    	public Sell_ticket(){
    		pre_counts = this.tickets;
    	}
    
        Thread cur_thrd;
    
        //verify account of buyer
    	private void accountVerify(){
    		System.out.printf("Thread %s: account is valid!\n", cur_thrd.getName());
    	}
    
    	//previous preparation
    	private void pre_Jobs(){
    		System.out.printf("Thread %s: it's prepared!\n", cur_thrd.getName());
    	}
    
    	private void sellTicket(){
    		this.accountVerify();
    		this.pre_Jobs();
    		if (this.tickets > 0){
    			System.out.printf("Thread %s: sold the no.%d ticket!\n", cur_thrd.getName(),pre_counts - tickets + 1);
    			tickets--;
    			sum_price+=unit_price;
    		}
    		else{
    			System.out.printf("Thread %s: all the tickets are sold out!\n", cur_thrd.getName(),pre_counts - tickets + 1);
    		}
    	}
    
    	public void run(){
    	    cur_thrd = Thread.currentThread();
    		while(this.tickets > 0){
    			this.sellTicket();	
    		}
    	}
    }
    
    
    public class Td_syn_1{
    	public static void st(){
    		Sell_ticket s = new Sell_ticket();
    		Thread a = new Thread(s);
    		Thread b = new Thread(s);
    		Thread c = new Thread(s);
    		a.setName("A");
    		b.setName("B");
    		c.setName("C");
    
    		a.start();
    		b.start();
    		c.start();
    
    		try{
    			Thread.currentThread().sleep(5000);
    		}catch(Exception e){
    			e.printStackTrace();
    		}
    
    		System.out.printf("Turnover is %d\n", s.sum_price);
    	}
    }

上面定义了实现了Runnable 接口的售票类. 里面定义了票数, 单价, 总售价等.

其中run方法里调用了sellTicket()方法.

启动类里利用这个对象启动了3个线程同时执行

实际执行时, 就产生同步问题了: 标志就是最后的总交易额对不上, 例如上面售票50张总额应该是1500.

但是有些票被重复售出, 结果就错误了: 而且多次执行的结果并不一样.

执行结果(最后部分): 可以见到执行结果很混乱.最后交易额错误

![444127020140218173428064.png][]

## 二.什么是同步, 同步方法 ##

如上面那个例子, 如果一个方法单线程中执行正常, 多线程由于同步问题出现数据错误.

那么我们就说这个方法不是同步的.

否则,我们就说这个是1个同步的方法, 也就是多线程执行也能正常执行.

## 三.同步方法的解决方法. ##

我们已经清楚同步问题的原因是: 多条线程同时访问同一段数据.

所以解决方法很简单: 就是令那1段数据在同1个时间点内只能有1个线程访问.

也就是A, B, C中, 如果B线程正在访问数据, 那么A 和 C线程就必须暂停. 直至B访问数据完毕!

我们这三条线程**互斥**

但是这样的话如果A在买票, 其他人都买不了吗? 多线程貌似失去意义.

实际上, 我们只需要令关键的部分代码互斥就可以了.

例如上面例子:  **账户验证()；前期准备();  ** 等代码不是关键的, 不需要互斥

而关键代码部分:  **获得剩余票数, 卖出一张票, 票数-1,交易额+=单价** 这些部分是非常关键的, 需要互斥. 因为如果同时有多个线程执行这些代码就会数据错误.

所以我们又认为**互斥**是解决同步方法的必要条件.

## 四.关键字synchronized ##

Java里 提供了1个关键字synchronized来达到代码多线程互斥的目的.

synchronized 有两种方法,

1.就是用来修饰方法.

2.用来为对象加上同步锁.

### 4.1 synchronized 修饰方法 ###

synchornized修饰一个方法, 意味着为同1个对象中(非静态方法)或同1个类中(静态方法)加上同步锁.

意识就是如果有**多条线程**执行该方法, 那么当其中一条线程执行该方法时, 就为该方法上锁, 其他线程就不能执行该方法. 而进入阻塞状态(暂停执行), 直至该方法执行完该方法.

也就是cpu**绝不会**执行synchronized的途中跳到另一条线程执行!

**4.1.1 synchronized 修饰非static方法.**

synchronized 修饰非静态方法与静态方法还是有点区别的.

我们知道非静态方法属于对象而不是类本身, 需要1个已实例化的对象才能执行.

而synchronized修饰1个非静态方法意味这个方法在**同1个对象中**, 多条线程执行该方法是互斥的. 也就是其中一条线程一旦执行该方法,其他线程就进入阻塞状态.

但是前提是同1个对象中.

举回上面的例子, 修改一下:

package Thread_kng.Td_synchronized;
    
    class Sell_ticket2 implements Runnable{
    	public int tickets = 50; //count of tickets
    	public int unit_price = 30; //unit_price of per ticket
    	public int sum_price = 0; //total turnover
    
    	private int pre_counts;
    
    	public Sell_ticket2(){
    		pre_counts = this.tickets;
    	}
    
        Thread cur_thrd;
    
        //verify account of buyer
    	private void accountVerify(){
    		System.out.printf("Thread %s: account is valid!\n", cur_thrd.getName());
    	}
    
    	//previous preparation
    	private void pre_Jobs(){
    		System.out.printf("Thread %s: it's prepared!\n", cur_thrd.getName());
    	}
    
    	private synchronized void sellTicket(){
    		this.accountVerify();
    		this.pre_Jobs();
    		if (this.tickets > 0){
    			System.out.printf("Thread %s: sold the no.%d ticket!\n", cur_thrd.getName(),pre_counts - tickets + 1);
    			tickets--;
    			sum_price+=unit_price;
    		}
    		else{
    			System.out.printf("Thread %s: all the tickets are sold out!\n", cur_thrd.getName(),pre_counts - tickets + 1);
    		}
    	}
    
    	public void run(){
    	    cur_thrd = Thread.currentThread();
    		while(this.tickets > 0){
    			this.sellTicket();	
    		}
    	}
    }
    
    
    public class Td_syn_2{
    	public static void st(){
    		Sell_ticket2 s = new Sell_ticket2();
    		Thread a = new Thread(s);
    		Thread b = new Thread(s);
    		Thread c = new Thread(s);
    		a.setName("A");
    		b.setName("B");
    		c.setName("C");
    
    		a.start();
    		b.start();
    		c.start();
    
    		try{
    			Thread.currentThread().sleep(5000);
    		}catch(Exception e){
    			e.printStackTrace();
    		}
    
    		System.out.printf("Turnover is %d\n", s.sum_price);
    	}
    }

实际上的改动只有一处, 就是在售票类中

用synchronized 关键字去修饰方法 sellTicket()

所以执行时一旦有1条线程开始执行 sellTicket(); **关于该对象的**所有其他线程就进入阻塞状态..

执行结果:

![444127020140218174306011.png][]

可以见到售票次序很规律.

而且多次执行, 最后的交易额都是正确的.

**4.1.2 synchronized 修饰static方法.**

上面之所以强调**同一个对象**,是因为synchronized方法修饰静态方法只会影响同1个对象的线程.

而对同1个类而不同对象, 用synchornized 去修饰是无效的.

见下面的例子, 也是修改上面的程序:

package Thread_kng.Td_synchronized;
    
    class Sell_ticket3 extends Thread{
    	public static int tickets = 50; //count of tickets
    	public static int unit_price = 30; //unit_price of per ticket
    	public static int sum_price = 0; //total turnover
    
    	private int pre_counts;
    
    	public Sell_ticket3(String name){
    		super(name);
    		pre_counts = this.tickets;
    	}
    
        //verify account of buyer
    	private void accountVerify(){
    		System.out.printf("Thread %s: account is valid!\n", this.getName());
    	}
    
    	//previous preparation
    	private void pre_Jobs(){
    		System.out.printf("Thread %s: it's prepared!\n", this.getName());
    	}
    
    	private synchronized void sellTicket(){
    		this.accountVerify();
    		this.pre_Jobs();
    		if (this.tickets > 0){
    			System.out.printf("Thread %s: sold the no.%d ticket!\n", this.getName(),pre_counts - tickets + 1);
    			tickets--;
    			sum_price+=unit_price;
    		}
    		else{
    			System.out.printf("Thread %s: all the tickets are sold out!\n", this.getName(),pre_counts - tickets + 1);
    		}
    	}
    
    	public void run(){
    		while(this.tickets > 0){
    			this.sellTicket();	
    		}
    	}
    }
    
    
    public class Td_syn_3{
    	public static void st(){
    		Sell_ticket3 a = new Sell_ticket3("A");
    		Sell_ticket3 b = new Sell_ticket3("B");
    		Sell_ticket3 c = new Sell_ticket3("C");
    
    		a.start();
    		b.start();
    		c.start();
    
    		try{
    			Thread.currentThread().sleep(5000);
    		}catch(Exception e){
    			e.printStackTrace();
    		}
    
    		System.out.printf("Turnover is %d\n", Sell_ticket3.sum_price);
    	}
    }

注意上面的售票类不在是实验Runnable 接口, 而是继承了Thread类.

那么在启动3个线程时, 就必须实例化3个对象,  而之前的例子是实例化一个对象而创建3个线程.

由于这3个对象a b c是不同的对象, 所以即使在非静态方法sellTicket()加上synchronized 关键字, 但是实际执行时.

3个线程分别执行自己对象的sellTicket(), 所以就不是互斥的.

执行结果:  可见最后交易额也是错误的. 而且有重复售票的现象:

![444127020140218193330051.png][]

解决方法也很简单, 就是把售票方法sellTickt() 改为1个静态方法.

静态方法只属于类本身.

如果用synchronized关键字修饰1个静态方法.

**那么这个类或者任何对象调用这个方法, 在多线程中也是互斥的.**

解决方法就是把sellTicket()改为1个静态方法, 注意的是静态方法不能调用非静态成员和方法.

修改后的例子:

package Thread_kng.Td_synchronized;
    
    class Sell_ticket4 extends Thread{
    	public static int tickets = 50; //count of tickets
    	public static int unit_price = 30; //unit_price of per ticket
    	public static int sum_price = 0; //total turnover
    
    	private static int pre_counts;
    
    	public Sell_ticket4(String name){
    		super(name);
    		pre_counts = this.tickets;
    	}
    
        //verify account of buyer
    	private static void accountVerify(){
    		System.out.printf("Thread %s: account is valid!\n", Thread.currentThread().getName());
    	}
    
    	//previous preparation
    	private static void pre_Jobs(){
    		System.out.printf("Thread %s: it's prepared!\n", Thread.currentThread().getName());
    	}
    
    	private synchronized static void sellTicket(){
    		accountVerify();
    		pre_Jobs();
    		if (tickets > 0){
    			System.out.printf("Thread %s: sold the no.%d ticket!\n", Thread.currentThread().getName(),pre_counts - tickets + 1);
    			tickets--;
    			sum_price+=unit_price;
    		}
    		else{
    			System.out.printf("Thread %s: all the tickets are sold out!\n", Thread.currentThread().getName(),pre_counts - tickets + 1);
    		}
    	}
    
    	public void run(){
    		while(this.tickets > 0){
    			this.sellTicket();	
    		}
    	}
    }
    
    
    public class Td_syn_4{
    	public static void st(){
    		Sell_ticket4 a = new Sell_ticket4("A");
    		Sell_ticket4 b = new Sell_ticket4("B");
    		Sell_ticket4 c = new Sell_ticket4("C");
    
    		a.start();
    		b.start();
    		c.start();
    
    		try{
    			Thread.currentThread().sleep(5000);
    		}catch(Exception e){
    			e.printStackTrace();
    		}
    
    		System.out.printf("Turnover is %d\n", Sell_ticket4.sum_price);
    	}
    }

修改后的结果就变成正确同步的了:

![444127020140218194746080.png][]

### 4.2 利用synchronized关键字 为对象加上同步锁 ###

我们回顾了上面的例子, 用synchronized 为售票方法设为同步方法, 貌似解决了问题.

但是还是有一些缺点.

因为售票方法sellTicket() 里面还调用了 账户验证() 前期准备()等方法.

现实中就意味着如果A在买票, 那么B连账户验证()这一步也做不了, 是不合适的.

根本原因是账户验证() 前期准备()等方法没有访问修改公共数据. 也就说这些方法不是需要同步的**关键代码**.

所以我们应该只为关键代码设为互斥.

方法无非两种:

1. 就是只把关键代码放进另1个方法, 为这个方法加上synchronized关键字.

2. 就是利用synchronized加上对象锁.

**4.2.1 什么是对象锁**

java编程中, 任何一个对象都具有1个对象锁, 包括在方法体内定义的局部变量对象.

某1个对象锁只能被1个线程占用,  如果一个线程占用了1个对象的锁, 那么其他线程尝试去占用这个对象锁时就会失败.

我们可以利用这个机制去达到某些代码在多线程中互斥的目的.

**4.2.2 synchronized 为对象加锁的用法**

用法如下

**synchronized (object)\{**

**   代码...;**

**\}**

注意, object 是1个对象

那么当1个线程A执行这段代码时, 就尝试去获得这个对象object的锁, 如果获取成功, 则执行里面的代码.

如果这个对象的锁已经被其他某条线程占用, 则线程A进入**阻塞状态,暂停执行**. 直至这个对象的锁被其他线程释放并且线程A成功占用该对象的锁.

下面是例子, 还是上面的例子做下修改:

package Thread_kng.Td_synchronized;
    
    class Sell_ticket5 extends Thread{
    	public static int tickets = 50; //count of tickets
    	public static int unit_price = 30; //unit_price of per ticket
    	public static int sum_price = 0; //total turnover
    
    	private int pre_counts;
    
    	public Sell_ticket5(String name){
    		super(name);
    		pre_counts = this.tickets;
    	}
    
        //verify account of buyer
    	private void accountVerify(){
    		System.out.printf("Thread %s: account is valid!\n", this.getName());
    	}
    
    	//previous preparation
    	private void pre_Jobs(){
    		System.out.printf("Thread %s: it's prepared!\n", this.getName());
    	}
    
    	private static int i_flag;
    	private static String s_flag = "flag_of_objectlock"; //assignmen is needed, otherwise will 
    	                                                     //throw exception when being synchronized
    
    	private void sellTicket(){
    		this.accountVerify();
    		this.pre_Jobs();
    
    		//synchronized (i_flag) //error integer variable is not an object
    		synchronized (s_flag){ //try to lock the object i_flag
    			if (this.tickets > 0){
    				System.out.printf("Thread %s: sold the no.%d ticket!\n", this.getName(),pre_counts - tickets + 1);
    				tickets--;
    				sum_price+=unit_price;
    			}
    			else{
    				System.out.printf("Thread %s: all the tickets are sold out!\n", this.getName(),pre_counts - tickets + 1);
    			}
    		}
    	}
    
    	public void run(){
    		while(this.tickets > 0){
    			this.sellTicket();	
    		}
    		System.out.printf("Turnover is %d\n", Sell_ticket5.sum_price);
    	}
    }
    
    
    public class Td_syn_5{
    	public static void st(){
    		Sell_ticket5 a = new Sell_ticket5("A");
    		Sell_ticket5 b = new Sell_ticket5("B");
    		Sell_ticket5 c = new Sell_ticket5("C");
    
    		a.start();
    		b.start();
    		c.start();
    
    		try{
    			Thread.currentThread().sleep(5000);
    		}catch(Exception e){
    			e.printStackTrace();
    		}
    
    		System.out.printf("Turnover is %d\n", Sell_ticket5.sum_price);
    	}
    }

上面的例子中, sellTicket方法没有synchronized 修饰.

但是我定义了1个公共(静态)对象String s\_flag.

在sellTicket方法把关键代码写进 synchronzied(s\_flag)中.

这样的话sellTicket实际上也可以被称为同步的, 因为关键代码会在多线程中互斥.

执行结果:

![444127020140218210103077.png][]

可以见到结果正确, 而且执行状态是几种方法中最佳的.

**4.2.3 synchronized 为对象加锁的要注意的地方**

1. 只能为对象加锁,  synchronized 括号里面的只能是1个对象名, 而不能是类名.

2. int类型的变量不是对象. 所以不能为int类型的变量加锁

3. String类型的变量是对象, 一般情况下为1个String对象加锁, 比较方便.

4. 这个对象必须被实例化, 也就是有内存指向, 否则抛出异常,  对于String对象来讲, 如果要为其加锁, 则这个String变量必须被复制.

5. 如果多个线程由多个线程对象创建(如上面的例子), 则这个对象必须是1个类静态(公共)变量, 如果是类的非静态成员则达不到线程互斥的母的.

因为多个线程里对象里的非静态成员的内存地址是不同的, 多个线程为各自的成员加锁肯定是成功的.

所以上面的例子中的s\_flag 必须是1个静态变量, 它只属于类本身.

### 4.3 synchronized 一些要点: ###

实在上, 如果为1个非静态的方法f() 加上synchronized 修饰

synchronized void f()\{

....

就相当于

void f()\{

synchronized (this)\{

....

只有该对象的线程调用该方法才是互斥的.

也就是获取对象本身的锁.

而为1个静态方法g()方法加上synchronize 修饰.

实际上就是为类本身上锁, 该类所有对象的线程调用该方法都是互斥的.

## 五.小结 ##

关于java线程同步其实并不复杂. 个人觉得比oracle的锁还好理解一点. 关键就是熟悉synchronized 的用法.

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[444127020140218174306011.png]: http://image226.poco.cn/mypoco/myphoto/20140218/17/444127020140218174306011.png
[444127020140218193330051.png]: http://image226.poco.cn/mypoco/myphoto/20140218/19/444127020140218193330051.png
[444127020140218194746080.png]: http://image226.poco.cn/mypoco/myphoto/20140218/19/444127020140218194746080.png
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