五十、线程同步-Synchronized

一、线程安全问题

如果有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。程序每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。

• 我们通过一个案例，演示线程的安全问题：
  电影院要卖票，我们模拟电影院的卖票过程。假设要播放的电影是 “功夫熊猫3”，本次电影的座位共100个(本场电影只能卖100张票)。
  我们来模拟电影院的售票窗口，实现多个窗口同时卖 “功夫熊猫3”这场电影票(多个窗口一起卖这100张票)。
  需要窗口，采用线程对象来模拟；需要票，Runnable接口子类来模拟。
• 模拟票：

public class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;

    @Override
    public void run() {
        //模拟卖票
        while(true){
            if (ticket > 0) {
                //模拟选坐的操作
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
            }
        }
    }
}

• 测试类

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建票对象
        Ticket ticket = new Ticket();
        
        //创建3个窗口
        Thread t1  = new Thread(ticket, "窗口1");
        Thread t2  = new Thread(ticket, "窗口2");
        Thread t3  = new Thread(ticket, "窗口3");
        
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

非安全线程

运行结果发现：上面程序出现了问题

• 票出现了重复的票
• 错误的票 0、-1

其实，线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；若有多个线程同时执行写操作，一般都需要考虑线程同步，否则的话就可能影响线程安全。

二、线程同步的两种方式

java中提供了线程同步机制，它能够解决上述的线程安全问题。
线程同步的方式有两种：

• 方式1：同步代码块
• 方式2：同步方法

1. 线程同步方式—同步代码块

同步代码块: 在代码块声明上 加上synchronized

synchronized (锁对象) {
可能会产生线程安全问题的代码
}

同步代码块中的锁对象可以是任意的对象；但多个线程时，要使用同一个锁对象才能够保证线程安全。

使用同步代码块，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：

public class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;
    //定义锁对象
    Object lock = new Object();
    @Override
    public void run() {
        //模拟卖票
        while(true){
            //同步代码块
            synchronized (lock){
                if (ticket > 0) {
                    //模拟电影选坐的操作
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
                }
            }
        }
    }
}

当使用了同步代码块后，上述的线程的安全问题，解决了。

2. 线程同步方式—同步方法

• 同步方法：在方法声明上加上synchronized

public synchronized void method(){
可能会产生线程安全问题的代码
}

同步方法中的锁对象是 this,功能和自己自定义的锁对象没啥不同，因为自己自定义的锁对象也是该对象中的成员变量。

使用同步方法，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：

public class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;
    //定义锁对象
    Object lock = new Object();
    @Override
    public void run() {
        //模拟卖票
        while(true){
            //同步方法
            method();
        }
    }

//同步方法,锁对象this
    public synchronized void method(){
        if (ticket > 0) {
            //模拟选坐的操作
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
        }
    }
}

• 静态同步方法: 在方法声明上加上static synchronized

public static synchronized void method(){
可能会产生线程安全问题的代码

}

静态同步方法中的锁对象是 类名.class，静态同步方法主要是用来保障多线程情况下静态变量的数据安全。
因为是类锁，所以即使被该类的多个对象操作，依然可以保证该类中静态变量的数据一致性。

class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    static int ticket = 100;
    
    @Override
    public void run() {
        //模拟卖票
        while (true) {

            //同步方法
            method();

        }

    }
    public static synchronized  void method(){
        if (ticket > 0) {
            //模拟选坐的操作
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
        }
    }

}
public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建票对象
        Ticket ticket1 = new Ticket();
        Ticket ticket2 = new Ticket();

        //创建3个窗口
        Thread t1  = new Thread(ticket1, "窗口1");
        Thread t2  = new Thread(ticket2, "窗口2");
        Thread t3  = new Thread(ticket1, "窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

三、死锁

同步锁使用的弊端：当线程任务中出现了多个同步(多个锁)时，如果同步中嵌套了其他的同步。这时容易引发一种现象：程序出现无限等待，这种现象我们称为死锁。这种情况能避免就避免掉。

synchronzied(A锁){
    synchronized(B锁){
         
}
}

我们进行下死锁情况的代码演示：

• 定义锁对象类

public class MyLock {
    public static final Object lockA = new Object();
    public static final Object lockB = new Object();
}

• 线程任务类

public class ThreadTask implements Runnable {
    int x = new Random().nextInt(1);//0,1
    //指定线程要执行的任务代码
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            if (x%2 ==0) {
                //情况一
                synchronized (MyLock.lockA) {
                    System.out.println("if-LockA");
                    synchronized (MyLock.lockB) {
                        System.out.println("if-LockB");
                        System.out.println("if大口吃肉");
                    }
                }
            } else {
                //情况二
                synchronized (MyLock.lockB) {
                    System.out.println("else-LockB");
                    synchronized (MyLock.lockA) {
                        System.out.println("else-LockA");
                        System.out.println("else大口吃肉");
                    }
                }
            }
            x++;
        }
    }
}

• 测试类

public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程任务类对象
        ThreadTask task = new ThreadTask();
        //创建两个线程
        Thread t1 = new Thread(task);
        Thread t2 = new Thread(task);
        //启动线程
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

四、Lock接口

查阅API，查阅Lock接口描述，Lock 实现提供了比使用 synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。

• Lock接口中的常用方法

  
  Lock接口常用方法.png

Lock提供了一个更加面对对象的锁，在该锁中提供了更多的操作锁的功能。
我们使用Lock接口，以及其中的lock()方法和unlock()方法替代同步，对电影院卖票案例中Ticket类进行如下代码修改：

public class Ticket implements Runnable {
    //共100票
    int ticket = 100;
    
    //创建Lock锁对象
    Lock ck = new ReentrantLock();
    
    @Override
    public void run() {
        //模拟卖票
        while(true){
            //synchronized (lock){
            ck.lock();
                if (ticket > 0) {
                    //模拟选坐的操作
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);
                }
            ck.unlock();
            //}
        }
    }
}

五、等待唤醒机制

在开始讲解等待唤醒机制之前，有必要搞清一个概念——线程之间的通信：多个线程在处理同一个资源，但是处理的动作（线程的任务）却不相同。通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源,而这种手段即—— 等待唤醒机制。
等待唤醒机制所涉及到的方法：

• wait（） :等待，将正在执行的线程释放其执行资格 和 执行权，并存储到线程池中。
• notify（）：唤醒，唤醒线程池中被wait（）的线程，一次唤醒一个，而且是任意的。
• notifyAll（）： 唤醒全部：可以将线程池中的所有wait() 线程都唤醒。

其实，所谓唤醒的意思就是让 线程池中的线程具备执行资格。必须注意的是，这些方法都是在 同步中才有效。同时这些方法在使用时必须标明所属锁，这样才可以明确出这些方法操作的到底是哪个锁上的线程。
仔细查看JavaAPI之后，发现这些方法 并不定义在 Thread中，也没定义在Runnable接口中，却被定义在了Object类中，为什么这些操作线程的方法定义在Object类中？
因为这些方法在使用时，必须要标明所属的锁，而锁又可以是任意对象。能被任意对象调用的方法一定定义在Object类中。

等待唤醒机制.png

接下里，我们先从一个简单的示例入手:

简单的示例1.jpg

如上图说示，输入线程向Resource中输入name ,sex , 输出线程从资源中输出，先要完成的任务是：

• 1.当input发现Resource中没有数据时，开始输入，输入完成后，叫output来输出。如果发现有数据，就wait();
• 2.当output发现Resource中没有数据时，就wait() ；当发现有数据时，就输出，然后，叫醒input来输入数据。

下面代码，模拟等待唤醒机制的实现：
模拟资源类:

public class Resource {
    private String name;
    private String sex;
    private boolean flag = false;

    public synchronized void set(String name, String sex) {
        if (flag)
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        // 设置成员变量
        this.name = name;
        this.sex = sex;
        // 设置之后，Resource中有值，将标记该为 true ,
        flag = true;
        // 唤醒output
        this.notify();
    }

    public synchronized void out() {
        if (!flag)
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        // 输出线程将数据输出
        System.out.println("姓名: " + name + "，性别: " + sex);
        // 改变标记，以便输入线程输入数据
        flag = false;
        // 唤醒input，进行数据输入
        this.notify();
    }
}

输入线程任务类:

public class Input implements Runnable {
    private Resource r;

    public Input(Resource r) {
        this.r = r;
    }

    @Override
    public void run() {
        int count = 0;
        while (true) {
            if (count == 0) {
                r.set("小明", "男生");
            } else {
                r.set("小花", "女生");
            }
            // 在两个数据之间进行切换
            count = (count + 1) % 2;
        }
    }
}

输出线程任务类:

public class Output implements Runnable {
    private Resource r;

    public Output(Resource r) {
        this.r = r;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            r.out();
        }
    }
}

测试类:

public class ResourceDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 资源对象
        Resource r = new Resource();
        // 任务对象
        Input in = new Input(r);
        Output out = new Output(r);
        // 线程对象
        Thread t1 = new Thread(in);
        Thread t2 = new Thread(out);
        // 开启线程
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

六、 线程状态图

查阅API关于IllegalThreadStateException这个异常说明信息发现，这个异常的描述信息为：指示线程没有处于请求操作所要求的适当状态时抛出的异常。这里面说适当的状态，啥意思呢？难道是说线程还有状态吗？

线程状态图.png

七、知识点总结

• 同步锁
  多个线程想保证线程安全，必须要使用同一个锁对象

• 同步代码块

synchronized (锁对象){
可能产生线程安全问题的代码
}
同步代码块的锁对象可以是任意的对象

• 同步方法

public synchronized void method()
可能产生线程安全问题的代码
}
同步方法中的锁对象是 this

• 静态同步方法

public synchronized void method()
可能产生线程安全问题的代码
}
静态同步方法中的锁对象是 类名.class

• 多线程有几种实现方案，分别是哪几种?
  a, 继承Thread类
  b, 实现Runnable接口
  c, 通过线程池，实现Callable接口

• 同步有几种方式，分别是什么?
  a,同步代码块
  b,同步方法
  c,静态同步方法

• 启动一个线程是run()还是start()?它们的区别?
  启动一个线程是start()

  • 区别：
    start： 启动线程，并调用线程中的run()方法
    run : 执行该线程对象要执行的任务

• sleep()和wait()方法的区别:
  sleep(): 不释放锁对象, 释放CPU使用权
     在休眠的时间内，不能唤醒
  wait(): 释放锁对象, 释放CPU使用权
     在等待的时间内，能唤醒

• 为什么wait(),notify(),notifyAll()等方法都定义在Object类中?
  锁对象可以是任意类型的对象