多线程如何实现同步-多线程之间通讯

作者: 弹钢琴的崽崽 | 来源:发表于2021-07-08 20:56 被阅读0次

一. 什么是线程安全问题

多线程同时对同一个全局变量做写的操作，可能会受到其他

线程的干扰，就会发生线程安全性问题。

全局变量----java内存结构

什么是写操作------修改

当多个线程共享同一个全局变量，做写的操作时，可能会受到其他的线程干扰，发生线程

安全问题。

public class ThreadCount implements Runnable {
    private static Integer count = 100;

    @Override
    public void run() {
        while (count > 1) {
            cal();
        }
    }

    private  void cal() {
        try {
            Thread.sleep(20);
        } catch (Exception e) {

        }
        count--;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "," + count);
    }


    public static void main(String[] args) {
        ThreadCount threadCount = new ThreadCount();
        Thread thread1 = new Thread(threadCount);
        Thread thread2 = new Thread(threadCount);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

同时执行概念

1.. 多线程如何解决线程安全问题/ 多线程如何实现同步呢

核心思想：上锁分布式锁

在同一个jvm中，多个线程需要竞争锁的资源，最终只能够有一个线程

能够获取到锁，多个线程同时抢同一把锁，谁（线程）能够获取到锁，

谁就可以执行到该代码，如果没有获取锁成功 中间需要经历锁的升级过程

如果一致没有获取到锁则会一直阻塞等待。

如果线程A获取锁成功 但是线程A一直不释放锁

线程B一直获取不到锁，则会一直阻塞等待。

代码从那一块需要上锁？-----可能会发生线程安全性问题的代码需要上锁。

Juc并发编程锁重入锁悲观锁乐观锁公平锁非公平锁

线程0 线程1 同时获取 this锁，假设线程0 获取到this ，意味着线程1没有获取到锁

则会阻塞等待。等我们线程0 执行完count-- 释放锁之后就会唤醒线程1从新进入

到获取锁的资源。

获取锁与释放锁全部都是有底层虚拟机实现好了。

对一块代码加锁缺点：

可能会影响到程序的执行效率。

如果是同一把锁在多线程的情况下最终只能够给一个线程使用。

如果有线程持有了该锁意味着其他的线程不能够在继续获取锁

核心思想：当多个线程共享同一个全局变量时，将可能会发生线程安全的代码

上锁，保证只有拿到锁的线程才可以执行，没有拿到锁的线程不可以执行，需要阻塞等待。

使用synchronized锁，JDK1.6开始锁的升级过程 juc 18-25
使用Lock锁，需要自己实现锁的升级过程。底层是基于aqs实现
使用Threadlocal，需要注意内存泄漏的问题。
原子类 CAS 非阻塞式

2. synchronized锁的基本用法

在多线程的情况下 需要是同一个对象锁

Synchronized(对象锁){
 需要保证线程安全的代码
}

修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码快前要获得给定对象的锁。
修饰实例方法，作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁
修饰静态方法，作用于当前类对象（当前类.class）加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁

2.1 修饰代码块

修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象的锁。

public class ThreadCount implements Runnable {
    private static Integer count = 100;
    private String lock = "lock";

    @Override
    public void run() {
        while (count > 1) {
            cal();
        }
    }
    private void cal() {
        synchronized (this) {
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (Exception e) {

            }
            count--;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "," + count);
        }

    }
    public static void main(String[] args) {
        ThreadCount threadCount = new ThreadCount();
        Thread thread1 = new Thread(threadCount);
        Thread thread2 = new Thread(threadCount);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

2.2 修饰实例方法

修饰实例方法，作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁

在实例方法上默认加上synchronized 默认使用this锁。

public class ThreadCount implements Runnable {
    private static Integer count = 100;
    private String lock = "lock";

    @Override
    public void run() {
        while (count > 1) {
            cal();
        }
    }

    private synchronized void cal() {
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (Exception e) {

        }
        count--;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "," + count);
    }
    public static void main(String[] args) {
        ThreadCount threadCount = new ThreadCount();
        Thread thread1 = new Thread(threadCount);
        Thread thread2 = new Thread(threadCount);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

2.3 修饰静态方法

修饰静态方法，作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁

默认使用当前类的类名.class 锁

public class ThreadCount implements Runnable {
    private static Integer count = 100;
    private static String lock = "lock";

    @Override
    public void run() {
        while (count > 1) {
            cal();
        }
    }

    private static void cal() {
        synchronized (ThreadCount.class) {
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (Exception e) {

            }
            count--;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "," + count);
        }

    }


    public static void main(String[] args) {
        ThreadCount threadCount1 = new ThreadCount();
        ThreadCount threadCount2 = new ThreadCount();
        Thread thread1 = new Thread(threadCount1);
        Thread thread2 = new Thread(threadCount2);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

2.4 synchronized死锁问题

我们如果在使用synchronized 需要注意 synchronized锁嵌套的问题避免死锁的问题发生。

案例：

public class DeadlockThread implements Runnable {
    private int count = 1;
    private String lock = "lock";

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            count++;
            if (count % 2 == 0) {
                // 线程1需要获取 lock 在获取 a方法this锁
                // 线程2需要获取this 锁在 获取B方法lock锁
                synchronized (lock) {
                    a();
                }
            } else {
                synchronized (this) {
                    b();
                }
            }
        }
    }

    public synchronized void a() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",a方法...");
    }

    public void b() {
        synchronized (lock) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",b方法...");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        DeadlockThread deadlockThread = new DeadlockThread();
        Thread thread1 = new Thread(deadlockThread);
        Thread thread2 = new Thread(deadlockThread);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

synchronized 死锁诊断工具

D:\path\jdk\jdk8\bin\jconsole.exe

线程1 先获取到自定义对象的lock锁,进入到a方法需要获取this锁

线程2 先获取this锁, 进入到b方法需要自定义对象的lock锁

线程1 线程2 是在同时执行

线程1	线程2
先获取到自定义对象的lock锁	先获取this锁
需要线程2已经持有的this锁	线程1已经持有自定义对象的lock锁

2.5 springmvc 接口中使用

需要注意：

Spring MVC Controller默认是单例的需要注意线程安全问题

单例的原因有二：

1、为了性能。

2、不需要多例。

@Scope(value = "prototype") 设置为多例子。

@RestController
@Slf4j
//@Scope(value = "prototype")
public class CountService {

    private int count = 0;

    @RequestMapping("/count")
    public synchronized String count() {
        try {
            log.info(">count<" + count++);
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (Exception e) {

            }
        } catch (Exception e) {

        }
        return "count";
    }
}

2.6 临界区

当多个线程读共享资源读的过程中，没有任何问题，

在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会发生线程安全问题

在多线程中如果存在对共享资源读写操作，该代码称作为临界区。

public class Thread08 extends Thread {
    int count = 0;

    @Override
    public void run() {
        // 该代码就是为临界区
        count++ ;
    }
}

2.7 竞争条件

多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同（指令）而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件

解决办法：

synchronized，Lock、原子类

3. 字节码角度分析线程安全问题

线程安全问题：

字节码
上下文切换
Jmm java内存模型

Java源代码 →编译成class文件

3.1 线程安全代码

public class Thread02 extends Thread {
    private static int sum = 0;

    @Override
    public void run() {
        sum();
    }

    public void sum() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            sum++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread02 t1 = new Thread02();
        Thread02 t2 = new Thread02();
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(sum);
    }
}

3.2 字节码文件分析

javap -p -v Thread01.class

sum++

Getstatic ### 获取静态变量值sum

iconst_1 ## 准备一个常量1

Iadd ### 自增

Putstatic ### 将修改后的值存入静态变量sum

3.3 Cpu上下文角度分析线程安全问题

分析：

共享变量值 sum=0

假设现在cpu执行到t1线程，t1线程执行到13行就切换到另外t2线程执行，

t2线程将静态变量sum=0改成=sum=1 有切换回来执行t1线程 t1线程使用之前获取

Sum=0 +1 赋值给共享变量sum ，则最终结果:sum=1.

但是现在sum++ 执行最终结果是算了一次。

二. 多线程线程之间通讯

1. 等待/通知机制

等待/通知的相关方法是任意Java对象都具备的，因为这些方法被定义在所有对象的超类java.lang.Object上，方法如下：

notify() ：通知一个在对象上等待的线程，使其从main()方法返回，而返回的前提是该线程获取到了对象的锁
notifyAll()：通知所有等待在该对象的线程
wait()：调用该方法的线程进入WAITING状态，只有等待其他线程的通知或者被中断，才会返回。需要注意调用wait()方法后，会释放对象的锁。

Exception in thread "Thread-0" java.lang.IllegalMonitorStateException
    at java.lang.Object.wait(Native Method)
    at java.lang.Object.wait(Object.java:502)
    at com.mayikt.thread.days02.Thread03.run(Thread03.java:16)

注意：wait,notify和notifyAll要与synchronized一起使用

2. wait/notify/notifyAll在Object类中

因为我们在使用synchronized锁对象锁可以是任意对象，所以wait/notify/notifyAll需要放在Object类中。

3. wait/notify/简单的用法

public class Thread03 extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        try {
            synchronized (this) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ">>当前线程阻塞，同时释放锁!<<");
                this.wait();
            }
            System.out.println(">>run()<<");
        } catch (InterruptedException e) {

        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread03 thread = new Thread03();
        thread.start();
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (Exception e) {

        }
        synchronized (thread) {
            // 唤醒正在阻塞的线程
            thread.notify();
        }

    }
}

4. 多线程通讯实现生产者与消费者

public class Thread04 {
    class Res {
        /**
         * 姓名
         */
        private String userName;
        /**
         * 性别
         */
        private char sex;
        /**
         * 标记
         */
        private boolean flag = false;
    }

    class InputThread extends Thread {
        private Res res;

        public InputThread(Res res) {
            this.res = res;
        }

        @Override
        public void run() {
            int count = 0;
            while (true) {
                synchronized (res) {
                    //flag = false  写入输入 flag = true 则不能写入数据 只能读取数据
                    try {
                        // 如果flag = true 则不能写入数据 只能读取数据 同时释放锁!
                        if (res.flag) {
                            res.wait();
                        }
                    } catch (Exception e) {

                    }
                    if (count == 0) {
                        this.res.userName = "余胜军";
                        this.res.sex = '男';
                    } else {
                        this.res.userName = "小薇";
                        this.res.sex = '女';
                    }
                    res.flag = true;
                    res.notify();
                }

                count = (count + 1) % 2;
            }
        }
    }

    class OutThread extends Thread {
        private Res res;

        public OutThread(Res res) {
            this.res = res;
        }


        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                synchronized (res) {
                    try {
                        if (!res.flag) {
                            res.wait();
                        }
                    } catch (Exception e) {

                    }
                    System.out.println(res.userName + "," + res.sex);
                    res.flag = false;
                    res.notify();
                }
            }
        }
    }


    public static void main(String[] args) {
        new Thread04().print();
    }

    public void print() {
        Res res = new Res();
        InputThread inputThread = new InputThread(res);
        OutThread outThread = new OutThread(res);
        inputThread.start();
        outThread.start();
    }
}

/**
 * flag 默认值==false
 * flag false 输入线程 输入值    输出线程 先拿到锁 释放锁 
 * flag true 输出线程 输出值
 */
public boolean flag = false;

5. Join/Wait与sleep之间的区别

sleep(long)方法在睡眠时不释放对象锁

join(long)方法先执行另外的一个线程，在等待的过程中释放对象锁底层是基于wait封装的，

Wait(long)方法在等待的过程中释放对象锁

6. 三个线程 T1，T2，T3，怎么确保它们按顺序执行？

Thread t1 = new Thread(() -> System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",线程执行"), "t1");
Thread t2 = new Thread(() -> System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",线程执行"), "t2");
Thread t3 = new Thread(() -> System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",线程执行"), "t3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();

public class Thread05 {


    public    static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (Exception e) {

            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",线程执行");
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                t1.join();
            } catch (InterruptedException e) {

            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",线程执行");
        }, "t2");
        Thread t3 = new Thread(() -> {
            try {
                t2.join();
            } catch (InterruptedException e) {

            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",线程执行");
        }, "t3");
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

7. Join的底层原理如何实现

public class Thread06 {
    private Object object = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread06 thread06 = new Thread06();
        Thread thread = thread06.print();
        thread.start();
        try {
            Thread.sleep(3000);
            thread.interrupt();
        } catch (Exception e) {

        }

    }

    public Thread print() {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            synchronized (object) {
                System.out.println("1");
                try {
                    object.wait(0);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("2");
            }
        });
        return thread;
    }
}

Join底层原理是基于wait封装的，唤醒的代码在jvm Hotspot 源码中当

jvm在关闭线程之前会检测线阻塞在t1线程对象上的线程，然后执行notfyAll(),这样t2就被唤醒了。