线程安全，状态和同步机制

1. 线程安全

线程安全就是程序每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的。但是不安全的情况就是有可能多个线程同时执行了某一个资源导致了不可预料的后果。

我们通过一个案例，演示线程的安全问题：电影院要卖票，我们模拟电影院的卖票过程。本次电影的座位共100个 (本场电影只能卖100张票)。我们来模拟电影院的售票窗口，实现多个窗口同时卖电影票(多个窗口一起卖这100张票) 需要窗口，采用线程对象来模拟；需要票，Runnable接口子类来模拟。

package com.itheima.demo06.ThreadSafe;
/*
    模拟卖票案例
    创建3个线程,同时开启,对共享的票进行出售
 */
public class Demo01Ticket {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        //创建Runnable接口的实现类对象
        RunnableImpl run = new RunnableImpl();
        //创建Thread类对象,构造方法中传递Runnable接口的实现类对象
        Thread t0 = new Thread(run);
        Thread t1 = new Thread(run);
        Thread t2 = new Thread(run);
        //调用start方法开启多线程
        t0.start();
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

package com.itheima.demo06.ThreadSafe;
/*
    实现卖票案例
 */
public class RunnableImpl implements Runnable{
    
    
    //定义一个多个线程共享的票源
    private  int ticket = 100;


    //设置线程任务:卖票
    @Override
    public void run() {
    
    
        //使用死循环,让卖票操作重复执行
        while(true){
    
    
            //先判断票是否存在
            if(ticket>0){
    
    
                //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠
                try {
    
    
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
    
    
                    e.printStackTrace();
                }

                //票存在,卖票 ticket--
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                ticket--;
            }
        }
    }
}

在这里插入图片描述

线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；若有多个线程同时执行写操作，一般都需要考虑线程同步，否则的话就可能影响线程安全。

2. 线程同步

窗口1线程进入操作的时候，窗口2和窗口3线程只能在外等着，窗口1操作结束，窗口1和窗口2和窗口3才有机会进入代码去执行。也就是说在某个线程修改共享资源的时候，其他线程不能修改该资源，等待修改完毕同步之后，才能去抢夺CPU 资源，完成对应的操作，保证了数据的同步性，解决了线程不安全的现象。

同步机制

同步代码块。
同步方法。
锁机制。

2.1 同步代码块

同步代码块： synchronized 关键字可以用于方法中的某个区块中，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。格式:

synchronized(同步锁){ 需要同步操作的代码 }

同步锁: 对象的同步锁只是一个概念,可以想象为在对象上标记了一个锁.

锁对象可以是任意类型。
多个线程对象要使用同一把锁。
注意:在任何时候,最多允许一个线程拥有同步锁,谁拿到锁就进入代码块,其他的线程只能在外等着 (BLOCKED)。
使用同步代码块解决代码：

package com.itheima.demo07.Synchronized;
/*
    卖票案例出现了线程安全问题
    卖出了不存在的票和重复的票

    解决线程安全问题的一种方案:使用同步代码块
    格式:
        synchronized(锁对象){
            可能会出现线程安全问题的代码(访问了共享数据的代码)
        }

    注意:
        1.通过代码块中的锁对象,可以使用任意的对象
        2.但是必须保证多个线程使用的锁对象是同一个
        3.锁对象作用:
            把同步代码块锁住,只让一个线程在同步代码块中执行
 */
public class RunnableImpl implements Runnable{
    
    
    //定义一个多个线程共享的票源
    private  int ticket = 100;

    //创建一个锁对象
    Object obj = new Object();

    //设置线程任务:卖票
    @Override
    public void run() {
    
    
        //使用死循环,让卖票操作重复执行
        while(true){
    
    
           //同步代码块
            synchronized (obj){
    
    
                //先判断票是否存在
                if(ticket>0){
    
    
                    //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠
                    try {
    
    
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
    
    
                        e.printStackTrace();
                    }

                    //票存在,卖票 ticket--
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                    ticket--;
                }
            }
        }
    }
}

2.2 同步方法

同步方法:使用synchronized修饰的方法,就叫做同步方法,保证A线程执行该方法的时候,其他线程只能在方法外等着。
格式：

public synchronized void method(){ 可能会产生线程安全问题的代码 }

同步锁是谁?
对于非static方法,同步锁就是this。
对于static方法,我们使用当前方法所在类的字节码对象(类名.class)。

package com.itheima.demo08.Synchronized;
/*
    卖票案例出现了线程安全问题
    卖出了不存在的票和重复的票

    解决线程安全问题的二种方案:使用同步方法
    使用步骤:
        1.把访问了共享数据的代码抽取出来,放到一个方法中
        2.在方法上添加synchronized修饰符

    格式:定义方法的格式
    修饰符 synchronized 返回值类型 方法名(参数列表){
        可能会出现线程安全问题的代码(访问了共享数据的代码)
    }
 */
public class RunnableImpl implements Runnable{
    
    
    //定义一个多个线程共享的票源
    private static int ticket = 100;


    //设置线程任务:卖票
    @Override
    public void run() {
    
    
        System.out.println("this:"+this);//this:com.itheima.demo08.Synchronized.RunnableImpl@58ceff1
        //使用死循环,让卖票操作重复执行
        while(true){
    
    
            payTicketStatic();
        }
    }

    /*
        静态的同步方法
        锁对象是谁?
        不能是this
        this是创建对象之后产生的,静态方法优先于对象
        静态方法的锁对象是本类的class属性-->class文件对象(反射)
     */
    public static /*synchronized*/ void payTicketStatic(){
    
    
        synchronized (RunnableImpl.class){
    
    
            //先判断票是否存在
            if(ticket>0){
    
    
                //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠
                try {
    
    
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
    
    
                    e.printStackTrace();
                }

                //票存在,卖票 ticket--
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                ticket--;
            }
        }

    }

    /*
        定义一个同步方法
        同步方法也会把方法内部的代码锁住
        只让一个线程执行
        同步方法的锁对象是谁?
        就是实现类对象 new RunnableImpl()
        也是就是this
     */
    public /*synchronized*/ void payTicket(){
    
    
        synchronized (this){
    
    
            //先判断票是否存在
            if(ticket>0){
    
    
                //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠
                try {
    
    
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
    
    
                    e.printStackTrace();
                }

                //票存在,卖票 ticket--
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                ticket--;
            }
        }

    }
}

2.3 锁机制

java.util.concurrent.locks.Lock机制提供了比synchronized代码块和synchronized方法更广泛的锁定操作, 同步代码块/同步方法具有的功能Lock都有,除此之外更强大,更体现面向对象。
Lock锁也称同步锁，加锁与释放锁方法化了，如下：
public void lock() :加同步锁。
public void unlock() :释放同步锁。
使用如下

package com.itheima.demo09.Lock;

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

/*
    卖票案例出现了线程安全问题
    卖出了不存在的票和重复的票

    解决线程安全问题的三种方案:使用Lock锁
    java.util.concurrent.locks.Lock接口
    Lock 实现提供了比使用 synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。
    Lock接口中的方法:
        void lock()获取锁。
        void unlock()  释放锁。
    java.util.concurrent.locks.ReentrantLock implements Lock接口


    使用步骤:
        1.在成员位置创建一个ReentrantLock对象
        2.在可能会出现安全问题的代码前调用Lock接口中的方法lock获取锁
        3.在可能会出现安全问题的代码后调用Lock接口中的方法unlock释放锁
 */
public class RunnableImpl implements Runnable{
    
    
    //定义一个多个线程共享的票源
    private  int ticket = 100;

    //1.在成员位置创建一个ReentrantLock对象
    Lock l = new ReentrantLock();

    //设置线程任务:卖票
    @Override
    public void run() {
    
    
        //使用死循环,让卖票操作重复执行
        while(true){
    
    
            //2.在可能会出现安全问题的代码前调用Lock接口中的方法lock获取锁
            l.lock();

            //先判断票是否存在
            if(ticket>0){
    
    
                //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠
                try {
    
    
                    Thread.sleep(10);
                    //票存在,卖票 ticket--
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                    ticket--;
                } catch (InterruptedException e) {
    
    
                    e.printStackTrace();
                }finally {
    
    
                    //3.在可能会出现安全问题的代码后调用Lock接口中的方法unlock释放锁
                    l.unlock();//无论程序是否异常,都会把锁释放
                }
            }
        }
    }

   
}

3. 线程状态

在这里插入图片描述

3.1 Timed Waiting（计时等待）

public class MyThread extends Thread {
    
     
	public void run() {
    
     
		for (int i = 0; i < 100; i++) {
    
     
			if ((i) % 10 == 0) {
    
     
				System.out.println("‐‐‐‐‐‐‐" + i);
				}
			System.out.print(i); 
			try {
    
    Thread.sleep(1000); 
			System.out.print(" 线程睡眠1秒！\n"); 
			} catch (InterruptedException e) {
    
     e.printStackTrace(); } 
		} 
	}
	public static void main(String[] args) 
	{
    
     new MyThread().start(); } 
}

通过案例可以发现，sleep方法的使用还是很简单的。我们需要记住下面几点：

进入 TIMED_WAITING 状态的一种常见情形是调用的 sleep 方法，单独的线程也可以调用，不一定非要有协作关系。
为了让其他线程有机会执行，可以将Thread.sleep()的调用放线程run()之内。这样才能保证该线程执行过程中会睡眠
sleep与锁无关，线程睡眠到期自动苏醒，并返回到Runnable（可运行）状态。

小提示：sleep()中指定的时间是线程不会运行的最短时间。因此，sleep()方法不能保证该线程睡眠到期后就开始立刻执行。

3.2 BLOCKED（锁阻塞）

Blocked状态在API中的介绍为：一个正在阻塞等待一个监视器锁（锁对象）的线程处于这一状态。
比如，线程A与线程B代码中使用同一锁，如果线程A获取到锁，线程A进入到Runnable状态，那么线程B就进入到Blocked锁阻塞状态.

3.3 Waiting（无限等待）

Wating状态在API中介绍为：一个正在无限期等待另一个线程执行一个特别的（唤醒）动作的线程处于这一状态。

package com.itheima.demo10.WaitAndNotify;
/*
    等待唤醒案例:线程之间的通信
        创建一个顾客线程(消费者):告知老板要的包子的种类和数量,调用wait方法,放弃cpu的执行,进入到WAITING状态(无限等待)
        创建一个老板线程(生产者):花了5秒做包子,做好包子之后,调用notify方法,唤醒顾客吃包子

    注意:
        顾客和老板线程必须使用同步代码块包裹起来,保证等待和唤醒只能有一个在执行
        同步使用的锁对象必须保证唯一
        只有锁对象才能调用wait和notify方法

    Obejct类中的方法
    void wait()
          在其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法前，导致当前线程等待。
    void notify()
          唤醒在此对象监视器上等待的单个线程。
          会继续执行wait方法之后的代码
 */
public class Demo01WaitAndNotify {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        //创建锁对象,保证唯一
        Object obj = new Object();
        // 创建一个顾客线程(消费者)
        new Thread(){
    
    
            @Override
            public void run() {
    
    
               //一直等着买包子
               while(true){
    
    
                   //保证等待和唤醒的线程只能有一个执行,需要使用同步技术
                   synchronized (obj){
    
    
                       System.out.println("告知老板要的包子的种类和数量");
                       //调用wait方法,放弃cpu的执行,进入到WAITING状态(无限等待)
                       try {
    
    
                           obj.wait();
                       } catch (InterruptedException e) {
    
    
                           e.printStackTrace();
                       }
                       //唤醒之后执行的代码
                       System.out.println("包子已经做好了,开吃!");
                       System.out.println("---------------------------------------");
                   }
               }
            }
        }.start();

        //创建一个老板线程(生产者)
        new Thread(){
    
    
            @Override
            public void run() {
    
    
                //一直做包子
                while (true){
    
    
                    //花了5秒做包子
                    try {
    
    
                        Thread.sleep(5000);//花5秒钟做包子
                    } catch (InterruptedException e) {
    
    
                        e.printStackTrace();
                    }

                    //保证等待和唤醒的线程只能有一个执行,需要使用同步技术
                    synchronized (obj){
    
    
                        System.out.println("老板5秒钟之后做好包子,告知顾客,可以吃包子了");
                        //做好包子之后,调用notify方法,唤醒顾客吃包子
                        obj.notify();
                    }
                }
            }
        }.start();
    }
}

其实waiting状态并不是一个线程的操作，它体现的是多个线程间的通信，可以理解为多个线程之间的协作关系，多个线程会争取锁，同时相互之间又存在协作关系。

当多个线程协作时，比如A，B线程，如果A线程在Runnable（可运行）状态中调用了wait()方法那么A线程就进入了Waiting（无限等待）状态，同时失去了同步锁。假如这个时候B线程获取到了同步锁，在运行状态中调用了 notify()方法，那么就会将无限等待的A线程唤醒。注意是唤醒，如果获取到锁对象，那么A线程唤醒后就进入 Runnable（可运行）状态；如果没有获取锁对象，那么就进入到Blocked（锁阻塞状态）。
在这里插入图片描述