Java多线程之线程同步机制

一、概念
- 1、并发
- 2、起因
- 3、缺点
二、三大不安全案例
- 1、样例一（模拟买票场景）
- 2、样例二（模拟取钱场景）
- 3、样例三（模拟集合）
三、同步方法及同步块
- 1、同步方法
- 2、同步块
四、JUC安全类型的集合
- 1、线程安全的集合(结合延时实现)
- 2、样例
五、死锁
- 1、概念
- 2、死锁样例
- 3、解决方案
- 4、产生死锁的四个必要条件
六、Lock(锁)
- 1、概念
- 2、synchronized 与 Lock的对比
- 3、样例
七、线程协作
- 1、管程法
- 2、信号灯法
- 3、线程池
- - 3.1 背景
  - 3.2 思路
  - 3.3 好处
  - 3.4 ExecutorService和Executors
  - 3.5 样例

一、概念

1、并发

同一个对象被多个线程同时操作

2、起因

处理多线程问题时，多个线程访问同一个对象，并且某些线程还想修改这个对象，就需要线程同步，线程同步其实就是一种等待机制，多个需要同时访问此对象的线程进入这个对象的等待池形成队列，等待前面线程使用完毕，下一个线程再使用。但由于同一进程的多个线程共享同一块存储空间，在带来方便的同时，也带来了访问冲突问题，为了保证数据在方法中被访问时的正确性，所以在此基础上，增加锁机制。

3、缺点

一个线程持有锁会导致其他所有需要此锁的线程挂起。
（1）在多线程竞争下，加锁，释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时，引起性能问题。
（2）如果一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁会导致优先级倒置，引起性能问题。

二、三大不安全案例

1、样例一（模拟买票场景）

多个线程并发时，不设计好队列，结果就会出现不安全的情况，出现了-1

package com.example.multithreading.demo12_syn;

// 线程不安全，有负数
public class UnsafeBuyTicket {
    public static void main(String[] args) {
        BuyTicket station = new BuyTicket();

        new Thread(station, "自己").start();
        new Thread(station, "其他人").start();
        new Thread(station, "黄牛").start();
    }

}

class BuyTicket implements Runnable{

    // 票
    private int ticketNums = 10;
    // 外部停止方式
    boolean flag = true;

    @Override
    public void run() {
        // 买票
        while(flag) {
            try {
                buy();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private void buy() throws InterruptedException {
        // 判断是否有票
        if (ticketNums <= 0){
            flag = false;
            return;
        }
        // 模拟延时
        Thread.sleep(100);

        // 买票
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到" + ticketNums--);
    }
}

结果
在这里插入图片描述

2、样例二（模拟取钱场景）

package com.example.multithreading.demo12_syn;

import lombok.Data;

public class UnsafeBank {
    public static void main(String[] args) {
        // 账户
        Account account = new Account(100,"基金");

        Drawing boy = new Drawing(account,50,"自己");
        Drawing girlFriend = new Drawing(account,100,"女朋友");

        boy.start();
        girlFriend.start();
    }
}

// 账户
@Data
class Account {
    // 余额
    int money;
    // 卡名
    String name;

    public Account(int money, String name) {
        this.money = money;
        this.name = name;
    }
}

// 模拟取钱
@Data
class Drawing extends Thread{
    // 账户
    Account account;
    // 取钱数
    int drawingMoney;
    // 持有钱数
    int nowMoney;

    public Drawing(Account account, int drawingMoney, String name) {
        super(name);
        this.account = account;
        this.drawingMoney = drawingMoney;
        this.nowMoney = nowMoney;
    }

    @Override
    public void run() {
        // 判断是否有钱
        if (account.money - drawingMoney < 0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "钱不够，取不了");
            return;
        }

        try{
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 卡内余额 = 余额 - 取的钱
        account.money = account.money - drawingMoney;
        // 你手里的钱
        nowMoney = nowMoney + drawingMoney;

        System.out.println(account.name + "余额为：" + account.money);
        System.out.println(this.getName() + "手里的钱：" + nowMoney);
    }
}

结果
在这里插入图片描述

3、样例三（模拟集合）

package com.example.multithreading.demo12_syn;

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

// 线程不安全的集合
public class UnsafeList {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(()->{
                list.add(Thread.currentThread().getName());
            }).start();
        }

        System.out.println(list.size());
    }
}

结果（真正应该为1000）
在这里插入图片描述

三、同步方法及同步块

1、同步方法

由于可以通过private关键字来保证数据对象只能被方法访问，所以只需要针对方法提出一套机制，这套机制就是synchronized关键字。两种用法（synchronized方法和 synchronized块）

public synchronized void method(int args){}

synchronized方法控制对 “对象” 的访问，每个对象对应一把锁，每个synchronized方法都必须获得调用该方法的对象的锁才能执行，否则线程会阻塞，方法一旦执行，就独占该锁，直到该方法返回才释放锁，后面被阻塞的线程才能获得这个锁，继续执行。（缺点：如果将一个大的方法申明为synchronized 将会影响效率）
在这里插入图片描述

2、同步块

（1）格式

synchronized(obj){}

（2）Obj称之为同步监视器
Obj可以是任何对象，但是推荐使用共享资源作为同步监视器
同步方法中无需指定同步监视器，因为同步方法的同步监视器就是this，就是这个对象本身。
（3）同步监视器的执行过程
第一个线程访问，锁定同步监视器，执行其中代码。
第二个线程访问，发现同步监视器被锁定，无法访问。
第一个线程访问完毕，解锁同步监视器。
第二个线程访问，发现同步监视器没有锁，然后锁定并访问。
在这里插入图片描述

四、JUC安全类型的集合

1、线程安全的集合(结合延时实现)

CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

2、样例

package com.example.multithreading.demo12_syn;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

// 线程不安全的集合
public class UnsafeList {
    public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(()->{
                list.add(Thread.currentThread().getName());
            }).start();
        }

        try{
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(list.size());
    }
}

结果
在这里插入图片描述

五、死锁

1、概念

多线程各自占有一些共享资源，并且互相等待其他线程占有的资源才能运行，而导致两个或者多个线程都在等待对方释放资源，都停止执行的情形。某一个同步块同时拥有”两个以上对象的锁“时，就可能会发生”死锁“的问题。

2、死锁样例

package com.example.multithreading.demo13_DeadLock;

// 死锁：多个线程互相占有需要的资源，然后形成僵持
public class DeadLock {

    public static void main(String[] args) {
        Makeup g1 = new Makeup(0,"张三");
        Makeup g2 = new Makeup(1,"李四");

        g1.start();
        g2.start();
    }
}

class Lipstick {

}

class Mirror {

}

class Makeup extends Thread {
    // 需要的资源只有一份，用static来保证只有一份
    static Lipstick lipstick = new Lipstick();
    static Mirror mirror = new Mirror();

    // 选择
    int choice;
    // 女孩
    String girlName;

    Makeup(int choice, String girlName) {
        this.choice = choice;
        this.girlName = girlName;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            makeup();
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    private void makeup() throws InterruptedException {
        if (choice == 0){
            synchronized (lipstick){
                System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");
                Thread.sleep(1000);

                synchronized (mirror){
                    System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
                }
            }
        } else{
            synchronized (mirror){
                System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
                Thread.sleep(2000);

                synchronized (lipstick){
                    System.out.println(this.girlName + "获得看口红的锁");
                }
            }
        }
    }
}

结果（会卡死在这里）
在这里插入图片描述

3、解决方案

package com.example.multithreading.demo13_DeadLock;

// 死锁：多个线程互相占有需要的资源，然后形成僵持
public class DeadLock {

    public static void main(String[] args) {
        Makeup g1 = new Makeup(0,"张三");
        Makeup g2 = new Makeup(1,"李四");

        g1.start();
        g2.start();
    }
}

class Lipstick {

}

class Mirror {

}

class Makeup extends Thread {
    // 需要的资源只有一份，用static来保证只有一份
    static Lipstick lipstick = new Lipstick();
    static Mirror mirror = new Mirror();

    // 选择
    int choice;
    // 女孩
    String girlName;

    Makeup(int choice, String girlName) {
        this.choice = choice;
        this.girlName = girlName;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            makeup();
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    private void makeup() throws InterruptedException {
        if (choice == 0){
            synchronized (lipstick){
                System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");
                Thread.sleep(1000);
            }
            synchronized (mirror){
                System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
            }
        } else{
            synchronized (mirror){
                System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");
                Thread.sleep(2000);
            }
            synchronized (lipstick){
                System.out.println(this.girlName + "获得看口红的锁");
            }
        }
    }
}

结果
在这里插入图片描述

4、产生死锁的四个必要条件

（1）互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。
（2）请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
（3）不剥夺条件：进程已获得的资源，在未使用完之前，不能强行剥夺。
（4）循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
破坏其中的任意一个或多个条件就可以避免死锁的发生。

六、Lock(锁)

1、概念

从JDK5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制——通过显式定义同步锁对象来实现同步，同步锁使用Lock对象充当。
java.util.concurrent.locks.Lock接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。
锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一-个线程对L ock对象加锁，线程开始访问共享资源之前应先获得L ock对象。
ReentrantLock 类实现了Lock，它拥有与synchronized相同的并发性和内存语义，在实现线程安全的控制中，比较常用的是ReentrantLock,可以显式加锁、释放锁。

2、synchronized 与 Lock的对比

（1）Lock是显式锁（手动开启和关闭锁），synchronized是隐式锁，出了作用域自动释放。
（2）Lock只有代码块锁，synchronized有代码块锁和方法锁。
（3）使用Lock锁，JVM将花费较少的时间来调度线程，性能更好。并且具有更好的扩展性（提供更多的子类）
优先使用的顺序
Lock > 同步代码块（已经进入了方法体，分配了相应资源） > 同步方法（在方法体之外）

3、样例

package com.example.multithreading.demo14_Lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockTest {
    public static void main(String[] args) {
        TicketLock threadTest1 = new TicketLock();

        new Thread(threadTest1).start();
        new Thread(threadTest1).start();
        new Thread(threadTest1).start();
    }
}

class TicketLock implements Runnable{

    int ticketNums = 10;

    // 定义lock锁
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try{
                // 加锁
                lock.lock();
                if(ticketNums > 0){
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                    System.out.println(ticketNums--);
                }else {
                    break;
                }
            }finally {
                // 解锁
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

结果
在这里插入图片描述

七、线程协作

1、管程法

生产者：负责生产数据的模块（可能是方法、对象、线程、进程）
消费者：负责处理数据的模块（可能是方法、对象、线程、进程）
缓冲区：消费者不能直接使用生产者的数据，两者之间有个缓冲区。
生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据。

package com.example.multithreading.demo15_PC;

import java.beans.Customizer;

// 管程法
// 生产者，消费者，产品，缓冲区
public class PcTest {
    public static void main(String[] args) {
        SynContainer container = new SynContainer();
        new Productor(container).start();
        new Consumer(container).start();
    }
}

// 生产者
class Productor extends Thread{
    SynContainer container;

    public Productor(SynContainer container){
        this.container = container;
    }

    // 生产
    @Override
    public void run(){
        for(int i = 0; i < 100; i++){
            container.push(new Chicken(i));
            System.out.println("生产了->第" + i + "只鸡");
        }
    }
}

// 消费者
class Consumer extends Thread{
     SynContainer container;

     public Consumer(SynContainer container){
         this.container = container;
     }

    // 消费
    @Override
    public void run(){
         for(int i = 0; i < 100; i++){
             System.out.println("消费了---->第" + container.pop().id + "只鸡");
         }
    }
}

// 产品
class Chicken{
    // 产品编号
    int id;

    public Chicken(int id) {
        this.id = id;
    }
}

// 缓冲区
class SynContainer {

    // 需要一个容器大小
    Chicken[] chickens = new Chicken[10];

    // 容器计数器
    int count = 0;

    // 生产者放入产品
    public synchronized void push(Chicken chicken){
        // 如果容器满了，就需要等待消费者消费
        if (count == chickens.length){
            // 通知消费者消费，生产等待
            try {
                this.wait();
            }catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        // 如果没有满，我们就需要丢入产品
        chickens[count] = chicken;
        count++;

        // 可以通知消费者消费了
        this.notifyAll();
    }

    // 消费者消费产品
    public synchronized Chicken pop(){
        // 判断能否消费
        if (count == 0){
            // 等待生产者生产，消费者等待
            try{
                this.wait();
            }catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }

        // 如果可以消费
        count--;
        Chicken chicken = chickens[count];

        // 吃完了，通知生产者生产
        this.notifyAll();

        return chicken;
    }


}

结果
在这里插入图片描述

2、信号灯法

通过标志位控制

package com.example.multithreading.demo15_PC;

// 信号灯法，标志位解决
public class PcTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        TV tv = new TV();
        new Player(tv).start();
        new Watcher(tv).start();
    }
}

// 生产者 --> 演员
class Player extends Thread{
    TV tv;
    public Player(TV tv) {
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            if(i%2==0){
                this.tv.play("电视剧");
            } else{
                this.tv.play("电影");
            }
        }
    }
}

// 消费者 --> 观众
class Watcher extends Thread{
    TV tv;
    public Watcher(TV tv) {
        this.tv = tv;
    }
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            tv.watch();
        }
    }
}

// 产品 --> 节目
class TV{
    // 演员表演，观众等待 T
    // 观众观看，演员等待 F
    // 表演的节目
    String voice;
    // 表演的节目
    boolean flag = true;

    // 表演
    public synchronized void play(String voice){
        if (!flag){
            try{
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        System.out.println("演员表演了:" + voice);
        // 通知观众观看
        // 通知唤醒
        this.notifyAll();
        this.voice = voice;
        this.flag = false;
    }

    // 观看
    public synchronized void watch(){
        if(flag){
            try{
                this.wait();
            }catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("观看了：" + voice);
        // 通知演员表演
        this.notifyAll();
        this.flag = !this.flag;
    }
}

结果
在这里插入图片描述

3、线程池

3.1 背景

经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大。

3.2 思路

提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。

3.3 好处

（1）提高响应速度（减少了创建新线程的时间）
（2）降低资源消耗（重复利用线程池中线程，不需要每次都创建）
（3）便于线程管理
corePoolSize：核心池的大小
maximumPoolSize：最大线程数
keepAliveTime：线程没有任务时最多保持多长时间后会终止

3.4 ExecutorService和Executors

ExecutorService：真正的线程池接口（常见子类ThreadPoolExecutor）
void execute(Runnable command)：执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行Runnable。
Future submit(Callable task)：执行任务,有返回值，一般用来执行Callable。
void shutdown() ：关闭连接池。
Executors：工具类、线程池的工厂类，用于创建并返回不同类型的线程池。

3.5 样例

package com.example.multithreading.demo16_Pool;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

// 测试线程池
public class PoolTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1、创建服务，创建线程池
        // newFixedThreadPool 参数为：线程池大小
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);

        // 执行
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());

        // 2、关闭链接
        service.shutdown();
    }
}

class MyThread implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}