【Java系列】（七）Java多线程---线程安全

来源：互联网发布：java程序员必看书籍编辑：程序博客网时间：2024/06/07 22:36

要说明线程同步问题首先要说明Java线程的两个特性，可见性和有序性。多个线程之间是不能直接传递数据交互的，它们之间的交互只能通过共享变量来实现。拿上篇博文中的例子来说明，在多个线程之间共享了Count类的一个对象，这个对象是被创建在主内存(堆内存)中，每个线程都有自己的工作内存(线程栈)，工作内存存储了主内存Count对象的一个副本，当线程操作Count对象时，首先从主内存复制Count对象到工作内存中，然后执行代码count.count()，改变了num值，最后用工作内存Count刷新主内存Count。当一个对象在多个内存中都存在副本时，如果一个内存修改了共享变量，其它线程也应该能够看到被修改后的值，此为可见性。多个线程执行时，CPU对线程的调度是随机的，我们不知道当前程序被执行到哪步就切换到了下一个线程，一个最经典的例子就是银行汇款问题，一个银行账户存款100，这时一个人从该账户取10元，同时另一个人向该账户汇10元，那么余额应该还是100。那么此时可能发生这种情况，A线程负责取款，B线程负责汇款，A从主内存读到100，B从主内存读到100，A执行减10操作，并将数据刷新到主内存，这时主内存数据100-10=90，而B内存执行加10操作，并将数据刷新到主内存，最后主内存数据100+10=110，显然这是一个严重的问题，我们要保证A线程和B线程有序执行，先取款后汇款或者先汇款后取款，此为有序性。本文讲述了JDK5.0之前传统线程的同步方式。

下面同样用代码来展示一下线程同步问题。

TraditionalThreadSynchronized.java：创建两个线程，执行同一个对象的输出方法。

package thread;
public class TraditionalThreadSynchronized {
static class Outputter {
public void output(String name) {
synchronized(this) {
for(int i = 0; i< name.length();i++) {
System.out.print(name.charAt(i));
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
final Outputter output = new Outputter();
new Thread() {
public void run() {
output.output("zhangsan");
}
}.start();
new Thread() {
public void run() {
output.output("lisi");
}
}.start();
}
}

运行结果：

[java] view plain copy
 print?
zhlainsigsan  

显然输出的字符串被打乱了，我们期望的输出结果是zhangsanlisi，这就是线程同步问题，我们希望output方法被一个线程完整的执行完之后再切换到下一个线程，Java中使用synchronized保证一段代码在多线程执行时是互斥的，有两种用法：

1. 使用synchronized将需要互斥的代码包含起来，并上一把锁。

[java] view plain copy
 print?
{  
    synchronized (this) {  
        for(int i = 0; i < name.length(); i++) {  
            System.out.print(name.charAt(i));  
        }  
    }  
}  

这把锁必须是需要互斥的多个线程间的共享对象，像下面的代码是没有意义的。

[java] view plain copy
 print?
{  
    Object lock = new Object();  
    synchronized (lock) {  
        for(int i = 0; i < name.length(); i++) {  
            System.out.print(name.charAt(i));  
        }  
    }  
}  

每次进入output方法都会创建一个新的lock，这个锁显然每个线程都会创建，没有意义。

2. 将synchronized加在需要互斥的方法上。

[java] view plain copy
 print?
public synchronized void output(String name) {  
    // TODO 线程输出方法  
    for(int i = 0; i < name.length(); i++) {  
        System.out.print(name.charAt(i));  
    }  
}  

这种方式就相当于用this锁住整个方法内的代码块，如果用synchronized加在静态方法上，就相当于用××××.class锁住整个方法内的代码块。使用synchronized在某些情况下会造成死锁，死锁问题以后会说明。使用synchronized修饰的方法或者代码块可以看成是一个原子操作。

每个锁对象(JLS中叫monitor)都有两个队列，一个是就绪队列，一个是阻塞队列，就绪队列存储了将要获得锁的线程，阻塞队列存储了被阻塞的线程，当一个线程被唤醒(notify)后，才会进入到就绪队列，等待CPU的调度，反之，当一个线程被wait后，就会进入阻塞队列，等待下一次被唤醒，这个涉及到线程间的通信，下一篇博文会说明。看我们的例子，当第一个线程执行输出方法时，获得同步锁，执行输出方法，恰好此时第二个线程也要执行输出方法，但发现同步锁没有被释放，第二个线程就会进入就绪队列，等待锁被释放。一个线程执行互斥代码过程如下：

1. 获得同步锁；

2. 清空工作内存；

3. 从主内存拷贝对象副本到工作内存；

4. 执行代码(计算或者输出等)；

5. 刷新主内存数据；

6. 释放同步锁。

所以，synchronized既保证了多线程的并发有序性，又保证了多线程的内存可见性。

volatile是第二种Java多线程同步的机制，根据JLS(Java LanguageSpecifications)的说法，一个变量可以被volatile修饰，在这种情况下内存模型(主内存和线程工作内存)确保所有线程可以看到一致的变量值，来看一段代码：

[java] view plain copy
 print?
class Test {  
    static int i = 0, j = 0;  
    static void one() {  
        i++;  
        j++;  
    }  
    static void two() {  
        System.out.println("i=" + i + " j=" + j);  
    }  
}  

一些线程执行one方法，另一些线程执行two方法，two方法有可能打印出j比i大的值，按照之前分析的线程执行过程分析一下：

1. 将变量i从主内存拷贝到工作内存；

2. 改变i的值；

3. 刷新主内存数据；

4. 将变量j从主内存拷贝到工作内存；

5. 改变j的值；

6. 刷新主内存数据；

这个时候执行two方法的线程先读取了主存i原来的值又读取了j改变后的值，这就导致了程序的输出不是我们预期的结果，要阻止这种不合理的行为的一种方式是在one方法和two方法前面加上synchronized修饰符：

[java] view plain copy
 print?
class Test {  
    static int i = 0, j = 0;  
    static synchronized void one() {  
        i++;  
        j++;  
    }  
    static synchronized void two() {  
        System.out.println("i=" + i + " j=" + j);  
    }  
}  

根据前面的分析，我们可以知道，这时one方法和two方法再也不会并发的执行了，i和j的值在主内存中会一直保持一致，并且two方法输出的也是一致的。另一种同步的机制是在共享变量之前加上volatile：

[java] view plain copy
 print?
class Test {  
    static volatile int i = 0, j = 0;  
    static void one() {  
        i++;  
        j++;  
    }  
    static void two() {  
        System.out.println("i=" + i + " j=" + j);  
    }  
}  

one方法和two方法还会并发的去执行，但是加上volatile可以将共享变量i和j的改变直接响应到主内存中，这样保证了主内存中i和j的值一致性，然而在执行two方法时，在two方法获取到i的值和获取到j的值中间的这段时间，one方法也许被执行了好多次，导致j的值会大于i的值。所以volatile可以保证内存可见性，不能保证并发有序性。

没有明白JLS中为什么使用两个变量来阐述volatile的工作原理，这样不是很好理解。volatile是一种弱的同步手段，相对于synchronized来说，某些情况下使用，可能效率更高，因为它不是阻塞的，尤其是读操作时，加与不加貌似没有影响，处理写操作的时候，可能消耗的性能更多些。但是volatile和synchronized性能的比较，我也说不太准，多线程本身就是比较玄的东西，依赖于CPU时间分片的调度，JVM更玄，还没有研究过虚拟机，从顶层往底层看往往是比较难看透的。在JDK5.0之前，如果没有参透volatile的使用场景，还是不要使用了，尽量用synchronized来处理同步问题，线程阻塞这玩意简单粗暴。另外volatile和final不能同时修饰一个字段，可以想想为什么。

线程的互斥(同步)，但是在很多情况下，仅仅同步是不够的，还需要线程与线程协作(通信)，生产者/消费者问题是一个经典的线程同步以及通信的案例。该问题描述了两个共享固定大小缓冲区的线程，即所谓的“生产者”和“消费者”在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。要解决该问题，就必须让生产者在缓冲区满时休眠（要么干脆就放弃数据），等到下次消费者消耗缓冲区中的数据的时候，生产者才能被唤醒，开始往缓冲区添加数据。同样，也可以让消费者在缓冲区空时进入休眠，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再唤醒消费者，通常采用线程间通信的方法解决该问题。如果解决方法不够完善，则容易出现死锁的情况。出现死锁时，两个线程都会陷入休眠，等待对方唤醒自己。该问题也能被推广到多个生产者和消费者的情形。本文讲述了JDK5之前传统线程的通信方式，更高级的通信方式可参见Java线程(九)：Condition-线程通信更高效的方式和Java线程(篇外篇)：阻塞队列BlockingQueue。

假设有这样一种情况，有一个盘子，盘子里只能放一个鸡蛋，A线程专门往盘子里放鸡蛋，如果盘子里有鸡蛋，则一直等到盘子里没鸡蛋，B线程专门从盘子里取鸡蛋，如果盘子里没鸡蛋，则一直等到盘子里有鸡蛋。这里盘子是一个互斥区，每次放鸡蛋是互斥的，每次取鸡蛋也是互斥的，A线程放鸡蛋，如果这时B线程要取鸡蛋，由于A没有释放锁，B线程处于等待状态，进入阻塞队列，放鸡蛋之后，要通知B线程取鸡蛋，B线程进入就绪队列，反过来，B线程取鸡蛋，如果A线程要放鸡蛋，由于B线程没有释放锁，A线程处于等待状态，进入阻塞队列，取鸡蛋之后，要通知A线程放鸡蛋，A线程进入就绪队列。我们希望当盘子里有鸡蛋时，A线程阻塞，B线程就绪，盘子里没鸡蛋时，A线程就绪，B线程阻塞，代码如下：

[java] view plain copy
 print?
import java.util.ArrayList;  
import java.util.List;  
/** 定义一个盘子类，可以放鸡蛋和取鸡蛋 */  
public class Plate {  
    /** 装鸡蛋的盘子 */  
    List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();  
    /** 取鸡蛋 */  
    public synchronized Object getEgg() {  
        while (eggs.size() == 0) {  
            try {  
                wait();  
            } catch (InterruptedException e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
        }  
        Object egg = eggs.get(0);  
        eggs.clear();// 清空盘子  
        notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列  
        System.out.println("拿到鸡蛋");  
        return egg;  
    }  
    /** 放鸡蛋 */  
    public synchronized void putEgg(Object egg) {  
        while (eggs.size() > 0) {  
            try {  
                wait();  
            } catch (InterruptedException e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
        }  
        eggs.add(egg);// 往盘子里放鸡蛋  
        notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列  
        System.out.println("放入鸡蛋");  
    }  
    static class AddThread implements Runnable  {  
        private Plate plate;  
        private Object egg = new Object();  
        public AddThread(Plate plate) {  
            this.plate = plate;  
        }  
        public void run() {  
            plate.putEgg(egg);  
        }  
    }  
    static class GetThread implements Runnable  {  
        private Plate plate;  
        public GetThread(Plate plate) {  
            this.plate = plate;  
        }  
        public void run() {  
            plate.getEgg();  
        }  
    }  
    public static void main(String args[]) {  
        Plate plate = new Plate();  
        for(int i = 0; i < 10; i++) {  
            new Thread(new AddThread(plate)).start();  
            new Thread(new GetThread(plate)).start();  
        }  
    }  
}  

输出结果：

[java] view plain copy
 print?
放入鸡蛋  
拿到鸡蛋  
放入鸡蛋  
拿到鸡蛋  
放入鸡蛋  
拿到鸡蛋  
放入鸡蛋  
拿到鸡蛋  
放入鸡蛋  
拿到鸡蛋  
放入鸡蛋  
拿到鸡蛋  
放入鸡蛋  
拿到鸡蛋  
放入鸡蛋  
拿到鸡蛋  
放入鸡蛋  
拿到鸡蛋  
放入鸡蛋  
拿到鸡蛋  

程序开始，A线程判断盘子是否为空，放入一个鸡蛋，并且唤醒在阻塞队列的一个线程，阻塞队列为空；假设CPU又调度了一个A线程，盘子非空，执行等待，这个A线程进入阻塞队列；然后一个B线程执行，盘子非空，取走鸡蛋，并唤醒阻塞队列的A线程，A线程进入就绪队列，此时就绪队列就一个A线程，马上执行，放入鸡蛋；如果再来A线程重复第一步，在来B线程重复第二步，整个过程就是生产者(A线程)生产鸡蛋，消费者(B线程)消费鸡蛋。

前段时间看了张孝祥老师线程的视频，讲述了一个其学员的面试题，也是线程通信的，在此也分享一下。

题目：子线程循环10次，主线程循环100次，如此循环100次，好像是空中网的笔试题。

[java] view plain copy
 print?
public class ThreadTest2 {  
    public static void main(String[] args) {  
        final Business business = new Business();  
        new Thread(new Runnable() {  
            @Override  
            public void run() {  
                threadExecute(business, "sub");  
            }  
        }).start();  
        threadExecute(business, "main");  
    }     
    public static void threadExecute(Business business, String threadType) {  
        for(int i = 0; i < 100; i++) {  
            try {  
                if("main".equals(threadType)) {  
                    business.main(i);  
                } else {  
                    business.sub(i);  
                }  
            } catch (InterruptedException e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
        }  
    }  
}  
class Business {  
    private boolean bool = true;  
    public synchronized void main(int loop) throws InterruptedException {  
        while(bool) {  
            this.wait();  
        }  
        for(int i = 0; i < 100; i++) {  
            System.out.println("main thread seq of " + i + ", loop of " + loop);  
        }  
        bool = true;  
        this.notify();  
    }     
    public synchronized void sub(int loop) throws InterruptedException {  
        while(!bool) {  
            this.wait();  
        }  
        for(int i = 0; i < 10; i++) {  
            System.out.println("sub thread seq of " + i + ", loop of " + loop);  
        }  
        bool = false;  
        this.notify();  
    }  
}  

大家注意到没有，在调用wait方法时，都是用while判断条件的，而不是if，在wait方法说明中，也推荐使用while，因为在某些特定的情况下，线程有可能被假唤醒，使用while会循环检测更稳妥。wait和notify方法必须工作于synchronized内部，且这两个方法只能由锁对象来调用。

本文来自：高爽|Coder，原文地址：http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/7424694，转载请注明。

0 0