多线程---线程同步，线程通信

news2025/1/26 15:34:13

线程同步

1.概述

线程同步是多线程编程中的一个重要概念，它指的是在多线程环境中，通过一定的机制保证多个线程按照某种特定的方式正确、有序地执行。这主要是为了避免并发问题，如死锁、竞态条件、资源争用等，确保数据的一致性和完整性。

当多个线程共享同一份资源时，由于线程的执行顺序是不确定的，可能会出现线程安全问题。例如，两个线程同时对一个共享变量进行操作，可能会出现预期之外的结果。

如下：

小明和小弘对同一账号取钱，会出现余额为负的情况

package Synchronization;
//操作账户
public class Account {
    private String cardId;
    private Double amount;

    public Account(String cardId, Double amount) {
        this.cardId = cardId;
        this.amount = amount;
    }
    public void withDrawMoney(Double amount){
        if(this.amount>=amount){
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            this.amount=this.amount-amount;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"来取钱成功！余额为"+this.amount);
        }else {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"来取钱失败！");
        }

    }

    public String getCardId() {
        return cardId;
    }

    public void setCardId(String cardId) {
        this.cardId = cardId;
    }

    public Double getAmount() {
        return amount;
    }

    public void setAmount(Double amount) {
        this.amount = amount;
    }
}

package Synchronization;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Account account = new Account("w2xId", (double) 1000);//初始化账户
        //实例化小明取钱线程
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                account.withDrawMoney((double) 1000);
            }
        },"小明").start();
        //实例化小弘取钱线程
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                account.withDrawMoney((double) 1000);
            }
        },"小弘").start();
    }
}

结果：

为了避免这种情况，就需要对线程进行同步，即保证同一时刻只有一个线程可以对共享资源进行操作。

2.线程同步的三种方式

1.同步代码块

在Java中，同步代码块是一种确保线程同步的机制，它允许你指定一段代码只能由一个线程在任何给定时间执行。同步代码块是通过在代码块前加上synchronized关键字和一个锁对象来实现的。这个锁对象可以是任何对象，当线程尝试进入同步代码块时，它必须首先获得这个锁。

关键修改部分

//同步代码块
synchronized (this) {
    if(this.amount>=amount){
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        this.amount=this.amount-amount;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"来取钱成功！余额为"+this.amount);
    }else {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"来取钱失败！");
    }
}

这里取this作为锁对象，this指代Account对象，也就是Acount对象为锁对象，且此程序只有一个Account实例化对象。

执行结果

2.同步方法

在Java中，同步方法也是一种实现线程同步的常用方式。通过在方法声明前加上synchronized关键字，可以确保该方法在任何时刻只被一个线程访问。同步方法会隐式地锁定当前实例（this），即如果两个线程同时访问同一个对象的同一个同步方法，那么只有一个线程能够执行该方法，另一个线程必须等待。

关键代码修改如下：

synchronized public void withDrawMoney(Double amount){
    //同步代码块
        if(this.amount>=amount){
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            this.amount=this.amount-amount;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"来取钱成功！余额为"+this.amount);
        }else {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"来取钱失败！");
        }

}

3.Lock锁

在Java中，除了使用内置的synchronized关键字实现同步外，还可以使用java.util.concurrent.locks包中提供的Lock接口及其实现类（如ReentrantLock）来实现更灵活和强大的线程同步。Lock接口提供了一种机制，可以显式地获取和释放锁，而不是像synchronized那样隐式地获取和释放锁。

使用Lock接口的主要优势包括：

  1. 灵活性：可以中断正在等待锁的线程，可以尝试获取锁而不必阻塞，以及可以释放锁，即使锁是由其他线程获取的。
  2. 可响应性：相比于synchronized，Lock通常具有更好的响应性，因为它允许更细粒度的锁控制。
  3. 条件支持：Lock接口与Condition接口一起使用，可以实现更复杂的线程同步需求。

Lock锁实现步骤：

1.创建Lock锁

2.加锁

3.解锁

关键代码修改如下：

package Synchronization;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Account {
    private String cardId;
    private Double amount;
 
    private final Lock lock=new ReentrantLock();//1.创建锁对象
    public Account(String cardId, Double amount) {
        this.cardId = cardId;
        this.amount = amount;
    }
//    synchronized public void withDrawMoney(Double amount){
//        //同步代码块
//            if(this.amount>=amount){
//                try {
//                    Thread.sleep(1000);
//                } catch (InterruptedException e) {
//                    e.printStackTrace();
//                }
//                this.amount=this.amount-amount;
//                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"来取钱成功！余额为"+this.amount);
//            }else {
//                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"来取钱失败！");
//            }
//
//    }
synchronized public void withDrawMoney(Double amount){
    lock.lock();//2.加锁
    if(this.amount>=amount){
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        this.amount=this.amount-amount;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"来取钱成功！余额为"+this.amount);
    }else {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"来取钱失败！");
    }
    lock.unlock();//3.解锁

}

//    public void withDrawMoney(Double amount){
//        //同步代码块
//        synchronized (this) {
//            if(this.amount>=amount){
//                try {
//                    Thread.sleep(1000);
//                } catch (InterruptedException e) {
//                    e.printStackTrace();
//                }
//                this.amount=this.amount-amount;
//                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"来取钱成功！余额为"+this.amount);
//            }else {
//                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"来取钱失败！");
//            }
//        }
//
//    }

    public String getCardId() {
        return cardId;
    }

    public void setCardId(String cardId) {
        this.cardId = cardId;
    }

    public Double getAmount() {
        return amount;
    }

    public void setAmount(Double amount) {
        this.amount = amount;
    }
}

线程通信

1.概述

生产者消费者模型在线程通信中是一个经典的应用场景。这个模型主要用来解决生产者和消费者之间的同步问题，确保两者之间的顺畅协作。在这个模型中，生产者负责生成数据并将其放入共享缓冲区，而消费者则从缓冲区中取出数据进行处理。

生产者消费者模型的关键点：

  1. 共享缓冲区：通常是一个队列或其他数据结构，用作生产者和消费者之间的通信媒介。生产者将生产的数据放入缓冲区，而消费者从缓冲区中取出数据进行处理。
  2. 同步机制：由于生产者和消费者可能同时访问缓冲区，因此需要一种同步机制来确保数据的一致性和避免竞态条件。这通常通过锁、信号量或其他同步原语来实现。在Java中，可以使用synchronized关键字、Lock接口或BlockingQueue来实现同步。
  3. 生产者和消费者的协作：当缓冲区满时，生产者需要等待缓冲区有空闲空间才能继续生产数据。同样，当缓冲区为空时，消费者需要等待缓冲区中有数据才能继续消费。这种协作通过线程间的通信来实现，生产者通知消费者缓冲区有新数据，消费者通知生产者缓冲区有空闲空间。

2.实例

三个生产者生产包子，两个消费者吃包子，每次生产者将一个包子放到桌子上并通知消费者，消费者拿取包子后通知生产者生产包子。

package Synchronization;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * 如果桌子上没有包子，则拿包子线程等待，唤醒其他所有线程
 * 如果桌子上有包子，则放包子线程等待，唤醒其他所有线程
 */
public class Desk {
    private List<String> list=new ArrayList<>();
    //放包子，通过同步代码块，保证生产者只有一个在生产包子
    public synchronized void put(){

        String name = Thread.currentThread().getName();
        if(list.size()==0){
            list.add("生产了一个包子");
            System.out.println(name+list.get(0));
            try {
                Thread.sleep(2000);
                this.notifyAll();//唤醒所有的线程
                this.wait();//等待
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }else {
            this.notifyAll();//唤醒所有的线程
            try {
                this.wait();//等待
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }
    //拿包子，通过同步代码块，保证只有一个消费者拿取包子
    public synchronized void get(){

        String name = Thread.currentThread().getName();
        if(list.size()==1){
            list.clear();
            System.out.println(name+"拿了一个包子");
            try {

                this.notifyAll();//唤醒所有的线程
                this.wait();//等待
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }else {
            this.notifyAll();//唤醒所有的线程
            try {
                this.wait();//等待
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }
}
package Synchronization;

public class CommunicationModel {
    public static void main(String[] args) {
        Desk desk=new Desk();
        //创建三个生产者线程
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while (true){
                    desk.put();
                }

            }
        },"厨师1").start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while (true){
                    desk.put();
                }
            }
        },"厨师2").start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while (true){
                    desk.put();
                }
            }
        },"厨师3").start();
        //创建两个消费者线程
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while (true){
                    desk.get();
                }
            }
        },"客人1").start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while (true){
                    desk.get();
                }
            }
        },"客人2").start();

    }
}

3.结果

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