并发编程——线程同步 心已赠人 2022-10-01 00:39 178阅读 0赞 **1、什么是线程同步** 线程同步不是指平常所说的两件事情同时进行。它的目的是使多个线程之间协调工作,而且常常是避免两个线程同时进行某些操作,比如同时访问同一个共享资源。一般来说,同步是通过暂时将会发生冲突操作的某个线程暂停执行(称为阻塞线程),然后等待不会冲突时再继续执行。 **2、线程同步的情况** **2.1 多个线程同时访问同一对象时** 首先,为什么要使用多线程,比如当你的程序中涉及到多个 很多次数的循环时,如果是单线程的话,第一个循环不执行完,第二个循环就执行不到,所以你的程序运行一次效率会很低,而你把这些循环分别开启一个线程来执行的话,那么cpu会在他们之间来回切换执行,也就说的同时进行,那么 效率自然会高很多。 当多个线程同时操作一个可共享的资源变量时(如数据的增删改查),可能会导致数据相互之间产生冲突,因此需要使用线程同步来保证资源变量的唯一性和准确性。 **总的来说,是为了多个线程访问同一数据时,会出现数据的安全性问题,保证数据安全,所以需要同步。** **2.2 多个线程之间需要协调运行** 如果第二个线程需要等待第一个线程完成到某一步时才能运行,那么该线程应该暂时挂起以减少对CPU的占用时间,提高程序的执行效率。当第一个线程完成了相应的步骤后,应该发出某种信号来激活第二个线程。 **3、java实现线程同步的常用方式** **3.1 同步方法** 使用synchronized 来修饰某个方法,则该方法称为同步方法。由于java的每个对象都有一个内置锁,当用synchronized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: public synchronized 数据返回类型 方法名(){} 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。 **3.2 同步代码块** 使用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: synchronized(object){ } 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。 **3.3 使用特殊域变量(volatile)实现线程同步** (1)volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制 (2)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, (3)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 (4)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 例如:在account前面加上volatile修饰,即可实现线程同步。 public class SynchronizedThread { class Bank { //给需要同步的变量account加上volatile private volatile int account = 100; public int getAccount() { return account; } public void save(int money) { account += money; } /** * 用同步代码块实现 */ public void save1(int money) { synchronized (this) { account += money; } } } class NewThread implements Runnable { private Bank bank; public NewThread(Bank bank) { this.bank = bank; } @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { // bank.save1(10); bank.save(10); System.out.println(i + "为:" + bank.getAccount()); } } } /** * 建立线程,调用内部类 */ public void useThread() { Bank bank = new Bank(); NewThread new_thread = new NewThread(bank); System.out.println("线程1"); Thread thread1 = new Thread(new_thread); thread1.start(); System.out.println("线程2"); Thread thread2 = new Thread(new_thread); thread2.start(); } public static void main(String[] args) { SynchronizedThread st = new SynchronizedThread(); st.useThread(); } } 注:多线程中的非同步问题主要出现在对域的读写上,如果让域自身避免这个问题,则就不需要修改操作该域的方法。 用final域,有锁保护的域和volatile域可以避免非同步的问题。 **3.4 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 。使用举例: public class SynchronizedThread { class Bank { private int account = 100; //需要声明这个锁 private Lock lock = new ReentrantLock(); public int getAccount() { return account; } public void save(int money) { lock.lock(); try{ account += money; }finally{ lock.unlock(); } } } class NewThread implements Runnable { private Bank bank; public NewThread(Bank bank) { this.bank = bank; } @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { // bank.save1(10); bank.save(10); System.out.println(i + "为:" + bank.getAccount()); } } } /** * 建立线程,调用内部类 */ public void useThread() { Bank bank = new Bank(); NewThread new_thread = new NewThread(bank); System.out.println("线程1"); Thread thread1 = new Thread(new_thread); thread1.start(); System.out.println("线程2"); Thread thread2 = new Thread(new_thread); thread2.start(); } public static void main(String[] args) { SynchronizedThread st = new SynchronizedThread(); st.useThread(); } } **3.5 使用局部变量实现线程同步** 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。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 public class SynchronizedThread { //只改Bank类,其余代码与上同 public class Bank{ //使用ThreadLocal类管理共享变量account private static ThreadLocal<Integer> account = new ThreadLocal<Integer>(){ @Override protected Integer initialValue(){ return 100; } }; public void save(int money){ account.set(account.get()+money); } public int getAccount(){ return account.get(); } } class NewThread implements Runnable { private Bank bank; public NewThread(Bank bank) { this.bank = bank; } @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { // bank.save1(10); bank.save(10); System.out.println(i + "为:" + bank.getAccount()); } } } /** * 建立线程,调用内部类 */ public void useThread() { Bank bank = new Bank(); NewThread new_thread = new NewThread(bank); System.out.println("线程1"); Thread thread1 = new Thread(new_thread); thread1.start(); System.out.println("线程2"); Thread thread2 = new Thread(new_thread); thread2.start(); } public static void main(String[] args) { SynchronizedThread st = new SynchronizedThread(); st.useThread(); } } 注意,ThreadLocal与同步机制 区别: (1)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。 (2)ThreadLocal采用以”空间换时间”的方法,同步机制采用以”时间换空间”的方式。 **3.6 使用阻塞队列实现线程同步** 前面几种同步方式都是在底层实现的线程同步,但是我们在实际开发当中,应当尽量远离底层结构。使用java中的java.util.concurrent包将有助于简化开发。它有ConcurrentLinkedQueue,LinkedBlockingQueue等方法可以实现线程同步。本文主要是使用LinkedBlockingQueue来实现线程的同步。 LinkedBlockingQueue是一个基于已连接节点的,范围任意的blocking queue。队列是先进先出的顺序。LinkedBlockingQueue 类常用方法: LinkedBlockingQueue() //创建一个容量为Integer.MAX_VALUE的LinkedBlockingQueue put(E e) //在队尾添加一个元素,如果队列满则阻塞 size() //返回队列中的元素个数 take() //移除并返回队头元素,如果队列空则阻塞 代码实例: 实现商家生产商品和买卖商品的同步 import java.util.Random; import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue; /** * 用阻塞队列实现线程同步 LinkedBlockingQueue的使用 */ public class BlockingSynchronizedThread { /** * 定义一个阻塞队列用来存储生产出来的商品 */ private LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<Integer>(); /** * 定义生产商品个数 */ private static final int size = 10; /** * 定义启动线程的标志,为0时,启动生产商品的线程;为1时,启动消费商品的线程 */ private int flag = 0; private class LinkBlockThread implements Runnable { @Override public void run() { int new_flag = flag++; System.out.println("启动线程 " + new_flag); if (new_flag == 0) { for (int i = 0; i < size; i++) { int b = new Random().nextInt(255); System.out.println("生产商品:" + b + "号"); try { queue.put(b); } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } System.out.println("仓库中还有商品:" + queue.size() + "个"); try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } } } else { for (int i = 0; i < size / 2; i++) { try { int n = queue.take(); System.out.println("消费者买去了" + n + "号商品"); } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } System.out.println("仓库中还有商品:" + queue.size() + "个"); try { Thread.sleep(100); } catch (Exception e) { // TODO: handle exception } } } } } public static void main(String[] args) { BlockingSynchronizedThread bst = new BlockingSynchronizedThread(); LinkBlockThread lbt = bst.new LinkBlockThread(); Thread thread1 = new Thread(lbt); Thread thread2 = new Thread(lbt); thread1.start(); thread2.start(); } } 注意,`BlockingQueue<E>`定义了阻塞队列的常用方法,尤其是三种添加元素的方法,我们要多加注意,当队列满时: add()//方法会抛出异常 offer()//方法返回false put()//方法会阻塞 **3.7 使用原子变量实现线程同步** 原子操作就是指将读取变量值、修改变量值、保存变量值看成一个整体来操作,即这几种行为要么同时完成,要么都不完成。 在java的util.concurrent.atomic包中提供了创建了原子类型变量的工具类,使用该类可以简化线程同步。它有AtomicBoolean,AtomicInteger等方法。 其中AtomicInteger可以用原子方式更新int的值,可用在应用程序中(如以原子方式增加的计数器),但不能用于替换Integer。可扩展Number,允许那些处理机遇数字类的工具和实用工具进行统一访问。AtomicInteger类常用方法: AtomicInteger(int initialValue)//创建具有给定初始值的新的AtomicInteger addAddGet(int dalta)//以原子方式将给定值与当前值相加 get()//获取当前值 public class SynchronizedThread { //只改Bank类 class Bank { private AtomicInteger account = new AtomicInteger(100); public AtomicInteger getAccount() { return account; } public void save(int money) { account.addAndGet(money); } } class NewThread implements Runnable { private Bank bank; public NewThread(Bank bank) { this.bank = bank; } @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { // bank.save1(10); bank.save(10); System.out.println(i + "为:" + bank.getAccount()); } } } /** * 建立线程,调用内部类 */ public void useThread() { Bank bank = new Bank(); NewThread new_thread = new NewThread(bank); System.out.println("线程1"); Thread thread1 = new Thread(new_thread); thread1.start(); System.out.println("线程2"); Thread thread2 = new Thread(new_thread); thread2.start(); } public static void main(String[] args) { SynchronizedThread st = new SynchronizedThread(); st.useThread(); } }
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