多线程之间实现同步
课程目标
理解线程安全？
synchronized用法
死锁
Java内存模型
Vlolatile
ThreadLock
什么是线程安全？
为什么有线程安全问题？
当多个线程同时共享，同一个全局变量或静态变量，做写的操作时，可能会发生数据冲突问题，也就是线程安全问题。但是做读操作是不会发生数据冲突问题。
案例:需求现在有100张火车票，有两个窗口同时抢火车票，请使用多线程模拟抢票效果。
代码:
package com.itmayiedu; class ThreadTrain1 implements Runnable { private int count = 100; private static Object oj = new Object(); @Override public void run() { while (count > 0) { try { Thread.sleep(50); } catch (Exception e) { // TODO: handle exception } sale(); } } public void sale() { // 前提 多线程进行使用、多个线程只能拿到一把锁。 // 保证只能让一个线程 在执行 缺点效率降低 // synchronized (oj) { // if (count > 0) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - count + 1) + "票"); count--; // } // } } } public class ThreadDemo { public static void main(String[] args) { ThreadTrain1 threadTrain1 = new ThreadTrain1(); Thread t1 = new Thread(threadTrain1, "①号窗口"); Thread t2 = new Thread(threadTrain1, "②号窗口"); t1.start(); t2.start(); } }
运行结果:
一号窗口和二号窗口同时出售火车第一张和第七张,部分火车票会重复出售。
结论发现，多个线程共享同一个全局成员变量时，做写的操作可能会发生数据冲突问题。
线程安全解决办法:
问:如何解决多线程之间线程安全问题?
答:使用多线程之间同步synchronized或使用锁(lock)。
问:为什么使用线程同步或使用锁能解决线程安全问题呢？
答:将可能会发生数据冲突问题(线程不安全问题)，只能让当前一个线程进行执行。代码执行完成后释放锁，让后才能让其他线程进行执行。这样的话就可以解决线程不安全问题。
问:什么是多线程之间同步？
答:当多个线程共享同一个资源,不会受到其他线程的干扰。
同步代码块
什么是同步代码块？
答:就是将可能会发生线程安全问题的代码，给包括起来。
synchronized(同一个数据){
可能会发生线程冲突问题
}
就是同步代码块
synchronized(对象)//这个对象可以为任意对象
{
需要被同步的代码
}
对象如同锁，持有锁的线程可以在同步中执行
没持有锁的线程即使获取CPU的执行权，也进不去
同步的前提：
1，必须要有两个或者两个以上的线程
2，必须是多个线程使用同一个锁
必须保证同步中只能有一个线程在运行
好处：解决了多线程的安全问题
弊端：多个线程需要判断锁，较为消耗资源、抢锁的资源。
代码样例:
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private static Object oj = new Object(); public void sale() { // 前提 多线程进行使用、多个线程只能拿到一把锁。 // 保证只能让一个线程 在执行 缺点效率降低 synchronized (oj) { if (count > 0) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - count + 1) + "票"); count--; } } } |
同步函数
什么是同步函数？
答：在方法上修饰synchronized 称为同步函数
代码样例
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public synchronized void sale() { if (trainCount > 0) { try { Thread.sleep(40); } catch (Exception e) { } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售 第" + (100 - trainCount + 1) + "张票."); trainCount--; } } |
同学们思考问题？同步函数用的是什么锁？
答：同步函数使用this锁。
证明方式: 一个线程使用同步代码块(this明锁),另一个线程使用同步函数。如果两个线程抢票不能实现同步，那么会出现数据错误。
代码:
package com.itmayiedu; class ThreadTrain2 implements Runnable { private int count = 100; public boolean flag = true; private static Object oj = new Object(); @Override public void run() { if (flag) { while (count > 0) { synchronized (this) { if (count > 0) { try { Thread.sleep(50); } catch (Exception e) { // TODO: handle exception } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - count + 1) + "票"); count--; } } } } else { while (count > 0) { sale(); } } } public synchronized void sale() { // 前提 多线程进行使用、多个线程只能拿到一把锁。 // 保证只能让一个线程 在执行 缺点效率降低 // synchronized (oj) { if (count > 0) { try { Thread.sleep(50); } catch (Exception e) { // TODO: handle exception } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - count + 1) + "票"); count--; } // } } } public class ThreadDemo2 { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { ThreadTrain2 threadTrain1 = new ThreadTrain2(); Thread t1 = new Thread(threadTrain1, "①号窗口"); Thread t2 = new Thread(threadTrain1, "②号窗口"); t1.start(); Thread.sleep(40); threadTrain1.flag = false; t2.start(); } }
静态同步函数
答：什么是静态同步函数？
方法上加上static关键字，使用synchronized 关键字修饰 或者使用类.class文件。
静态的同步函数使用的锁是 该函数所属字节码文件对象
可以用 getClass方法获取，也可以用当前 类名.class 表示。
代码样例:
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synchronized (ThreadTrain.class) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售 第" + (100 - trainCount + 1) + "张票."); trainCount--; try { Thread.sleep(100); } catch (Exception e) { } } |
总结：
synchronized 修饰方法使用锁是当前this锁。
synchronized 修饰静态方法使用锁是当前类的字节码文件
多线程死锁
什么是多线程死锁？
答:同步中嵌套同步,导致锁无法释放
代码:
package com.itmayiedu; class ThreadTrain6 implements Runnable { // 这是货票总票数,多个线程会同时共享资源 private int trainCount = 100; public boolean flag = true; private Object mutex = new Object(); @Override public void run() { if (flag) { while (true) { synchronized (mutex) { // 锁(同步代码块)在什么时候释放？ 代码执行完， 自动释放锁. // 如果flag为true 先拿到 obj锁,在拿到this 锁、 才能执行。 // 如果flag为false先拿到this,在拿到obj锁，才能执行。 // 死锁解决办法:不要在同步中嵌套同步。 sale(); } } } else { while (true) { sale(); } } } public synchronized void sale() { synchronized (mutex) { if (trainCount > 0) { try { Thread.sleep(40); } catch (Exception e) { } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售 第" + (100 - trainCount + 1) + "张票."); trainCount--; } } } } public class DeadlockThread { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { ThreadTrain6 threadTrain = new ThreadTrain6(); // 定义 一个实例 Thread thread1 = new Thread(threadTrain, "一号窗口"); Thread thread2 = new Thread(threadTrain, "二号窗口"); thread1.start(); Thread.sleep(40); threadTrain.flag = false; thread2.start(); } }
原子性、可见性、有序性多线程有三大特性
什么是原子性
即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。
一个很经典的例子就是银行账户转账问题：
比如从账户A向账户B转1000元，那么必然包括2个操作：从账户A减去1000元，往账户B加上1000元。这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。
我们操作数据也是如此，比如i = i+1；其中就包括，读取i的值，计算i，写入i。这行代码在Java中是不具备原子性的，则多线程运行肯定会出问题，所以也需要我们使用同步和lock这些东西来确保这个特性了。
原子性其实就是保证数据一致、线程安全一部分，
什么是可见性
当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。
若两个线程在不同的cpu，那么线程1改变了i的值还没刷新到主存，线程2又使用了i，那么这个i值肯定还是之前的，线程1对变量的修改线程没看到这就是可见性问题。
什么是有序性
程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。
一般来说处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。如下：
int a = 10; //语句1
int r = 2; //语句2
a = a + 3; //语句3
r = a*a; //语句4
则因为重排序，他还可能执行顺序为 2-1-3-4，1-3-2-4
但绝不可能 2-1-4-3，因为这打破了依赖关系。
显然重排序对单线程运行是不会有任何问题，而多线程就不一定了，所以我们在多线程编程时就得考虑这个问题了。
Java内存模型
共享内存模型指的就是Java内存模型(简称JMM)，JMM决定一个线程对共享变量的写入时,能对另一个线程可见。从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存，写缓冲区，寄存器以及其他的硬件和编译器优化。
从上图来看，线程A与线程B之间如要通信的话，必须要经历下面2个步骤：
1. 首先，线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
2. 然后，线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。
下面通过示意图来说明这两个步骤：
如上图所示，本地内存A和B有主内存中共享变量x的副本。假设初始时，这三个内存中的x值都为0。线程A在执行时，把更新后的x值（假设值为1）临时存放在自己的本地内存A中。当线程A和线程B需要通信时，线程A首先会把自己本地内存中修改后的x值刷新到主内存中，此时主内存中的x值变为了1。随后，线程B到主内存中去读取线程A更新后的x值，此时线程B的本地内存的x值也变为了1。
从整体来看，这两个步骤实质上是线程A在向线程B发送消息，而且这个通信过程必须要经过主内存。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来为java程序员提供内存可见性保证。
总结：什么是Java内存模型：java内存模型简称jmm，定义了一个线程对另一个线程可见。共享变量存放在主内存中，每个线程都有自己的本地内存，当多个线程同时访问一个数据的时候，可能本地内存没有及时刷新到主内存，所以就会发生线程安全问题。
Volatile
什么是Volatile
Volatile 关键字的作用是变量在多个线程之间可见。
代码:
package com.itmayiedu; class ThreadVolatileDemo extends Thread { public boolean flag = true; @Override public void run() { System.out.println("开始执行子线程...."); while (flag) { } System.out.println("线程停止"); } public void setRuning(boolean flag) { this.flag = flag; } } public class ThreadVolatile { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { ThreadVolatileDemo threadVolatileDemo = new ThreadVolatileDemo(); threadVolatileDemo.start(); Thread.sleep(3000); threadVolatileDemo.setRuning(false); System.out.println("flag 已经设置成false"); Thread.sleep(1000); System.out.println(threadVolatileDemo.flag); } }
运行结果:
开始执行子线程.... 线程停止 flag 已经设置成false false
已经将结果设置为fasle为什么？还一直在运行呢。
原因:线程之间是不可见的，读取的是副本，没有及时读取到主内存结果。
解决办法使用Volatile关键字将解决线程之间可见性, 强制线程每次读取该值的时候都去“主内存”中取值
Volatile非原子性
注意: Volatile非原子性
package com.itmayiedu; public class VolatileNoAtomic extends Thread { private static volatile int count; // private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); private static void addCount() { for (int i = 0; i < 1000; i++) { count++; // count.incrementAndGet(); } System.out.println(count); } public void run() { addCount(); } public static void main(String[] args) { VolatileNoAtomic[] arr = new VolatileNoAtomic[100]; for (int i = 0; i < 10; i++) { arr[i] = new VolatileNoAtomic(); } for (int i = 0; i < 10; i++) { arr[i].start(); } } } |
运行结果:
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结果发现 数据不同步，因为Volatile不用具备原子性。
使用AtomicInteger原子类
AtomicInteger是一个提供原子操作的Integer类，通过线程安全的方式操作加减。
package com.itmayiedu; import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; public class VolatileNoAtomic extends Thread { static int count = 0; private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0); @Override public void run() { for (int i = 0; i < 1000; i++) { // 等同于i++ atomicInteger.incrementAndGet(); } System.out.println(count); } public static void main(String[] args) { // 初始化10个线程 VolatileNoAtomic[] volatileNoAtomic = new VolatileNoAtomic[10]; for (int i = 0; i < 10; i++) { // 创建 volatileNoAtomic[i] = new VolatileNoAtomic(); } for (int i = 0; i < volatileNoAtomic.length; i++) { volatileNoAtomic[i].start(); } } }
volatile与synchronized区别
仅靠volatile不能保证线程的安全性。（原子性）
①volatile轻量级，只能修饰变量。synchronized重量级，还可修饰方法
②volatile只能保证数据的可见性，不能用来同步，因为多个线程并发访问volatile修饰的变量不会阻塞。
synchronized不仅保证可见性，而且还保证原子性，因为，只有获得了锁的线程才能进入临界区，从而保证临界区中的所有语句都全部执行。多个线程争抢synchronized锁对象时，会出现阻塞。
线程安全性
线程安全性包括两个方面，①可见性。②原子性。
从上面自增的例子中可以看出：仅仅使用volatile并不能保证线程安全性。而synchronized则可实现线程的安全性。
ThreadLoca
什么是ThreadLoca
ThreadLocal提高一个线程的局部变量，访问某个线程拥有自己局部变量。
当使用ThreadLocal维护变量时，ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本。
ThreadLocal的接口方法
ThreadLocal类接口很简单，只有4个方法，我们先来了解一下：
void set(Object value)设置当前线程的线程局部变量的值。
public Object get()该方法返回当前线程所对应的线程局部变量。
public void remove()将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存的占用，该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是，当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度。
protected Object initialValue()返回该线程局部变量的初始值，该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行，并且仅执行1次。ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。
案例:创建三个线程，每个线程生成自己独立序列号。
代码:
package com.itmayiedu; class Res { // 生成序列号共享变量 public static Integer count = 0; public static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<Integer>() { protected Integer initialValue() { return 0; }; }; public Integer getNum() { int count = threadLocal.get() + 1; threadLocal.set(count); return count; } } public class ThreadLocaDemo2 extends Thread { private Res res; public ThreadLocaDemo2(Res res) { this.res = res; } @Override public void run() { for (int i = 0; i < 3; i++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---" + "i---" + i + "--num:" + res.getNum()); } } public static void main(String[] args) { Res res = new Res(); ThreadLocaDemo2 threadLocaDemo1 = new ThreadLocaDemo2(res); ThreadLocaDemo2 threadLocaDemo2 = new ThreadLocaDemo2(res); ThreadLocaDemo2 threadLocaDemo3 = new ThreadLocaDemo2(res); threadLocaDemo1.start(); threadLocaDemo2.start(); threadLocaDemo3.start(); } }
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ThreadLoca实现原理
ThreadLoca通过map集合
Map.put(“当前线程”,值)；
