线程安全与锁的使用

当我们使用多个线程访问同一资源（可以是同一个变量、同一个文件、同一条记录等）的时候，若多个线程只有读操作，那么不会发生线程安全问题，但是如果多个线程中对资源有读和写的操作，就容易出现线程安全问题。

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。假设要播放的电影是 “葫芦娃大战奥特曼”，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 “葫芦娃大战奥特曼”这场电影票(多个窗口一起卖这100张票)

同一个资源问题

1、局部变量不能共享

package com.atguigu.safe;

public class SaleTicketDemo1 {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		Window w1 = new Window();
		Window w2 = new Window();
		Window w3 = new Window();
		
		w1.start();
		w2.start();
		w3.start();
	}
}
class Window extends Thread{
    
    
	public void run(){
    
    
		int total = 100;
		while(total>0) {
    
    
			System.out.println(getName() + "卖出一张票，剩余:" + --total);
		}
	}
}

结果：发现卖出300张票。

问题：局部变量是每次调用方法都是独立的，那么每个线程的run()的total是独立的，不是共享数据。

2、不同对象的实例变量不共享

package com.atguigu.safe;

public class SaleTicketDemo2 {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		TicketSaleThread t1 = new TicketSaleThread();
		TicketSaleThread t2 = new TicketSaleThread();
		TicketSaleThread t3 = new TicketSaleThread();
		
		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();
	}
}
class TicketSaleThread extends Thread{
    
    
	private int total = 10;
	public void run(){
    
    
		while(total>0) {
    
    
			System.out.println(getName() + "卖出一张票，剩余:" + --total);
		}
	}
}

结果：发现卖出300张票。

问题：不同的实例对象的实例变量是独立的。

3、静态变量是共享的

package com.atguigu.safe;

public class SaleTicketDemo3 {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		TicketThread t1 = new TicketThread();
		TicketThread t2 = new TicketThread();
		TicketThread t3 = new TicketThread();
		
		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();
	}
}
class TicketThread extends Thread{
    
    
	private static int total = 10;
	public void run(){
    
    
		while(total>0) {
    
    
			try {
    
    
				Thread.sleep(10);//加入这个，使得问题暴露的更明显
			} catch (InterruptedException e) {
    
    
				e.printStackTrace();
			}
			System.out.println(getName() + "卖出一张票，剩余:" + --total);
		}
	}
}

结果：发现卖出近100张票。

问题（1）：但是有重复票或负数票问题。

原因：线程安全问题

问题（2）：如果要考虑有两场电影，各卖100张票等

原因：TicketThread类的静态变量，是所有TicketThread类的对象共享

等等如何解决呢？

尝试解决线程安全问题

要解决上述多线程并发访问一个资源的安全性问题:也就是解决重复票与不存在票问题，Java中提供了同步机制
(synchronized)来解决。

根据案例简述：

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。

为了保证每个线程都能正常执行原子操作，Java引入了线程同步机制。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)。

同步方法：synchronized 关键字直接修饰方法，表示同一时刻只有一个线程能进入这个方法，其他线程在外面等着。

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

同步代码块：synchronized 关键字可以用于某个区块前面，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
}

锁对象选择

同步锁对象：

**- 锁对象可以是任意类型。

多个线程对象要使用同一把锁。**

1、同步方法的锁对象问题

（1）静态方法：当前类的Class对象

（2）非静态方法：this

示例代码一：

public class SaleTicketSafeDemo1 {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		// 2、创建资源对象
		//注意这里只创建了一个对象 Ticket 所以是不用静态方法：当前类的Class对象而用非静态方法：this就可以了
		Ticket ticket = new Ticket();
	// 3、启动多个线程操作资源类的对象
	//继承Thread类
	//*使用匿名内部类对象来实现线程的创建和启动*
	Thread t1 = new Thread("窗口一") {
    
    
		public void run() {
    
    
			while (true) {
    
    
				try {
    
    
					Thread.sleep(10);// 加入这个，使得问题暴露的更明显
					ticket.sale();
				} catch (Exception e) {
    
    
					e.printStackTrace();
					break;
				}
			}
		}
	};
	Thread t2 = new Thread("窗口二") {
    
    
		public void run() {
    
    
			while (true) {
    
    
				try {
    
    
					Thread.sleep(10);// 加入这个，使得问题暴露的更明显
					ticket.sale();
				} catch (Exception e) {
    
    
					e.printStackTrace();
					break;
				}
			}
		}
	};
	//实现Runnable接口
	//*使用匿名内部类对象来实现线程的创建和启动*
	Thread t3 = new Thread(new Runnable() {
    
    
		public void run() {
    
    
			while (true) {
    
    
				try {
    
    
					Thread.sleep(10);// 加入这个，使得问题暴露的更明显
					ticket.sale();
				} catch (Exception e) {
    
    
					e.printStackTrace();
					break;
				}
			}
		}
	}, "窗口三");

	t1.start();
	t2.start();
	t3.start();
}

}

// 1、编写资源类
class Ticket {
    
    
	private int total = 10;
//非静态方法隐含的锁对象就是this
//注意这里只创建了一个对象 Ticket 用非静态方法：this就可以了
public synchronized void sale() {
    
    
	if (total > 0) {
    
    
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，剩余:" + --total);
	} else {
    
    
		throw new RuntimeException(Thread.currentThread().getName() + "发现没有票了");
	}
}

public int getTotal() {
    
    
	return total;
}

}

示例代码二：

public class SaleTicketSafeDemo2 {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
			//注意这里只创建了一个对象 TicketRunnable所以是不用静态方法：当前类的Class对象而用非静态方法：this就可以了
		TicketRunnable tr = new TicketRunnable();
		Thread t1 = new Thread(tr,"窗口一");
		Thread t2 = new Thread(tr,"窗口二");
		Thread t3 = new Thread(tr,"窗口三");
		
		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();
	}
}

class TicketRunnable implements Runnable {
    
    
	private int ticket = 10;

	@Override
	public void run() {
    
    
		while(ticket > 0){
    
    
			try {
    
    
				Thread.sleep(1000);
			} catch (InterruptedException e) {
    
    
				e.printStackTrace();
			}
			sellTicket();
		}
	}

	//非静态方法隐含的锁对象就是this
	//注意这里只创建了一个对象 TicketRunnable 用非静态方法：this就可以了
	public synchronized void sellTicket() {
    
    
		if (ticket > 0) {
    
    
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖:" + ticket--);
		}
	}
}

示例代码三：

public class SaleTicketSafeDemo3 {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
	//注意这里创建了三个对象 TicketThread 所以是用静态方法：当前类的Class对象 而用非静态方法this 不是唯一的对象标识
		TicketThread t1 = new TicketThread();
		TicketThread t2 = new TicketThread();
		TicketThread t3 = new TicketThread();
		
		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();
	}
}
class TicketThread extends Thread {
    
    
	private static int ticket = 100;

	@Override
	public void run() {
    
    
		while (ticket>0) {
    
    
			try {
    
    
				Thread.sleep(100);
			} catch(InterruptedException e) {
    
    
				e.printStackTrace();
			}
			sellTicket();
		}
	}
	//这里必须是静态方法，因为如果是非静态方法，隐含的锁对象是this，那么多个线程就不是同一个锁对象了
	//而静态方法隐含的锁对象是当前类的Class对象
	public synchronized static void sellTicket(){
    
    
		if(ticket>0){
    
    //有票可以卖 
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖：" + ticket--);
		}
	}

}

2、同步代码块的锁对象

同步锁对象：

锁对象可以是任意类型。
多个线程对象要使用同一把锁。
习惯上先考虑this，但是要注意是否同一个this

示例代码一：this对象

public class SaleTicketSafeDemo1 {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		// 2、创建资源对象
		Ticket ticket = new Ticket();

		// 3、启动多个线程操作资源类的对象
		Thread t1 = new Thread("窗口一") {
    
    
			public void run() {
    
    
				while (true) {
    
    
					try {
    
    
						Thread.sleep(10);// 加入这个，使得问题暴露的更明显
						ticket.sale();
					} catch (Exception e) {
    
    
						e.printStackTrace();
						break;
					}
				}
			}
		};
		Thread t2 = new Thread("窗口二") {
    
    
			public void run() {
    
    
				while (true) {
    
    
					try {
    
    
						Thread.sleep(10);// 加入这个，使得问题暴露的更明显
						ticket.sale();
					} catch (Exception e) {
    
    
						e.printStackTrace();
						break;
					}
				}
			}
		};
		Thread t3 = new Thread(new Runnable() {
    
    
			public void run() {
    
    
				while (true) {
    
    
					try {
    
    
						Thread.sleep(10);// 加入这个，使得问题暴露的更明显
						ticket.sale();
					} catch (Exception e) {
    
    
						e.printStackTrace();
						break;
					}
				}
			}
		}, "窗口三");

		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();
	}
}

// 1、编写资源类
class Ticket {
    
    
	private int total = 10;

	public void sale() {
    
    
		synchronized (this) {
    
    
			if (total > 0) {
    
    
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，剩余:" + --total);
			} else {
    
    
				throw new RuntimeException(Thread.currentThread().getName() + "发现没有票了");
			}
		}
	}

	public int getTotal() {
    
    
		return total;
	}
}

示例代码二：this对象

public class SaleTicketSafeDemo2 {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		TicketRunnable tr = new TicketRunnable();
		Thread t1 = new Thread(tr,"窗口一");
		Thread t2 = new Thread(tr,"窗口二");
		Thread t3 = new Thread(tr,"窗口三");
		
		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();
	}
}

class TicketRunnable implements Runnable {
    
    
	private int ticket = 10;

	@Override
	public void run() {
    
    
		while(ticket > 0){
    
    
			try {
    
    
				Thread.sleep(100);
			} catch (InterruptedException e) {
    
    
				e.printStackTrace();
			}
			synchronized (this) {
    
    
				if (ticket > 0) {
    
    
					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖:" + ticket--);
				}
			}
		}
	}

}

示例代码三：其他对象

public class SaleTicketSafeDemo3 {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		TicketThread t1 = new TicketThread();
		TicketThread t2 = new TicketThread();
		TicketThread t3 = new TicketThread();
		
		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();
	}
}
class TicketThread extends Thread{
    
    
	private static int total = 10;
	private static final Object myLock = new Object();
	public void run(){
    
    
		while(total>0) {
    
    
			try {
    
    
				Thread.sleep(10);//加入这个，使得问题暴露的更明显
			} catch (InterruptedException e) {
    
    
				e.printStackTrace();
			}
//			synchronized (this) {//此处不能选this对象作为锁，因为this对于上面的三个线程来说是不同的
//			synchronized (TicketThread.class) {//可以，因为在JVM中TicketThread类的Class对象只有一个
//			synchronized ("") {//可以，因为在JVM中""字符串对象只有一个
			synchronized (myLock) {
    
    //可以，因为在JVM中myLock对象只有一个
				if(total>0){
    
    
					System.out.println(getName() + "卖出一张票，剩余:" + --total);
				}
			}
			
		}
	}
}

锁的范围问题

锁的范围太小：不能解决安全问题

锁的范围太大：因为一旦某个线程抢到锁，其他线程就只能等待，所以范围太大，效率会降低，不能合理利用CPU资源。

如何编写多线程的程序呢？

原则：
- 线程操作资源类
- 高内聚低耦合
步骤：
- 编写资源类
- 考虑线程安全问题，在资源类中考虑使用同步代码块或同步方法

public class TestSynchronized {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		// 2、创建资源对象
		Ticket ticket = new Ticket();

		// 3、启动多个线程操作资源类的对象
		Thread t1 = new Thread("窗口一") {
    
    
			public void run() {
    
    
				while (true) {
    
    
					try {
    
    
						Thread.sleep(10);// 加入这个，使得问题暴露的更明显
						ticket.sale();
					} catch (Exception e) {
    
    
						e.printStackTrace();
						break;
					}
				}
			}
		};
		Thread t2 = new Thread("窗口二") {
    
    
			public void run() {
    
    
				while (true) {
    
    
					try {
    
    
						Thread.sleep(10);// 加入这个，使得问题暴露的更明显
						ticket.sale();
					} catch (Exception e) {
    
    
						e.printStackTrace();
						break;
					}
				}
			}
		};
		Thread t3 = new Thread(new Runnable() {
    
    
			public void run() {
    
    
				while (true) {
    
    
					try {
    
    
						Thread.sleep(10);// 加入这个，使得问题暴露的更明显
						ticket.sale();
					} catch (Exception e) {
    
    
						e.printStackTrace();
						break;
					}
				}
			}
		}, "窗口三");

		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();
	}
}

// 1、编写资源类
class Ticket {
    
    
	private int total = 10;

	public synchronized void sale() {
    
    
		if(total<=0){
    
    
			throw new RuntimeException(Thread.currentThread().getName() + "发现没有票了");
		}
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，剩余:" + --total);
	}
	public int getTotal() {
    
    
		return total;
	}
}

单例设计模式的线程安全问题

1、饿汉式没有线程安全问题

public class OnlyOneDemo {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		OnlyOne o1 = OnlyOne.INSTANCE;
		OnlyOne o2 = OnlyOne.INSTANCE;
		
		System.out.println(o1);
		System.out.println(o2);
		System.out.println(o1==o2);
	}
}
class OnlyOne{
    
    
	public static final OnlyOne INSTANCE = new OnlyOne();
	private OnlyOne(){
    
    
		
	}
}

2、懒汉式线程安全问题

延迟创建对象

```java
public class SingleTest {
    
    
    @Test
    public void test1() {
    
    
        Single s1 = Single.getInstance();
        Single s2 = Single.getInstance();
        System.out.println(s1);
        System.out.println(s2);
        System.out.println(s1 == s2);
    }

    Single s1;
    Single s2;

    @Test
    public void test2() throws InterruptedException {
    
    
        new Thread(new Runnable() {
    
    
            @Override
            public void run() {
    
    
                s1 = Single.getInstance();
            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
    
    
            @Override
            public void run() {
    
    
                s2 = Single.getInstance();
            }
        }).start();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(s1 + " : " + s2);
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}
```

等待唤醒机制

什么是等待唤醒机制

这是多个线程间的一种协作机制。谈到线程我们经常想到的是线程间的竞争（race），比如去争夺锁，但这并不是故事的全部，线程间也会有协作机制。

就是在一个线程满足某个条件时，就进入等待状态（wait()/wait(time)），等待其他线程执行完他们的指定代码过后再将其唤醒（notify()）;或可以指定wait的时间，等时间到了自动唤醒；在有多个线程进行等待时，如果需要，可以使用 notifyAll()来唤醒所有的等待线程。wait/notify 就是线程间的一种协作机制。

wait：线程不再活动，不再参与调度，进入 wait set 中，因此不会浪费 CPU 资源，也不会去竞争锁了，这时的线程状态即是 WAITING或TIMED_WAITING。它还要等着别的线程执行一个特别的动作，也即是“通知（notify）”或者等待时间到，在这个对象上等待的线程从wait set 中释放出来，重新进入到调度队列（ready queue）中
notify：则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放；
notifyAll：则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。

注意：

被通知线程被唤醒后也不一定能立即恢复执行，因为它当初中断的地方是在同步块内，而此刻它已经不持有锁，所以她需要再次尝试去获取锁（很可能面临其它线程的竞争），成功后才能在当初调用 wait 方法之后的地方恢复执行。

总结如下：

如果能获取锁，线程就从 WAITING 状态变成 RUNNABLE（可运行）状态；

否则，线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED（等待锁）状态

调用wait和notify方法需要注意的细节

wait方法与notify方法必须要由同一个锁对象调用。因为：对应的锁对象可以通过notify唤醒使用同一个锁对象调用的wait方法后的线程。
wait方法与notify方法是属于Object类的方法的。因为：锁对象可以是任意对象，而任意对象的所属类都是继承了Object类的。
wait方法与notify方法必须要在同步代码块或者是同步函数中使用。因为：必须要通过锁对象调用这2个方法。

生产者与消费者问题

等待唤醒机制可以解决经典的“生产者与消费者”的问题。

生产者与消费者问题（英语：Producer-consumer problem），也称有限缓冲问题（英语：Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个（多个）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。

生产者与消费者问题中其实隐含了两个问题：

线程安全问题：因为生产者与消费者共享数据缓冲区，不过这个问题可以使用同步解决。
线程的协调工作问题：
- 要解决该问题，就必须让生产者线程在缓冲区满时等待(wait)，暂停进入阻塞状态，等到下次消费者消耗了缓冲区中的数据的时候，通知(notify)正在等待的线程恢复到就绪状态，重新开始往缓冲区添加数据。同样，也可以让消费者线程在缓冲区空时进入等待(wait)，暂停进入阻塞状态，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再通知(notify)正在等待的线程恢复到就绪状态。通过这样的通信机制来解决此类问题。

一个厨师一个服务员问题

案例：有家餐馆的取餐口比较小，只能放10份快餐，厨师做完快餐放在取餐口的工作台上，服务员从这个工作台取出快餐给顾客。现在有1个厨师和1个服务员。

多个厨师多个服务员问题

案例：有家餐馆的取餐口比较小，只能放10份快餐，厨师做完快餐放在取餐口的工作台上，服务员从这个工作台取出快餐给顾客。现在有多个厨师和多个服务员。

练习

1、要求两个线程，同时打印字母，每个线程都能连续打印3个字母。两个线程交替打印，一个线程打印字母的小写形式，一个线程打印字母的大写形式，但是字母是连续的。当字母循环到z之后，回到a。

public class PrintLetterDemo {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		// 2、创建资源对象
		PrintLetter p = new PrintLetter();

		// 3、创建两个线程打印
		new Thread("小写字母") {
    
    
			public void run() {
    
    
				while (true) {
    
    
					p.printLower();
					try {
    
    
						Thread.sleep(1000);// 控制节奏
					} catch (InterruptedException e) {
    
    
						e.printStackTrace();
					}
				}
			}
		}.start();

		new Thread("大写字母") {
    
    
			public void run() {
    
    
				while (true) {
    
    
					p.printUpper();
					try {
    
    
						Thread.sleep(1000);// 控制节奏
					} catch (InterruptedException e) {
    
    
						e.printStackTrace();
					}
				}
			}
		}.start();
	}
}

// 1、定义资源类
class PrintLetter {
    
    
	private char letter = 'a';

	public synchronized void printLower() {
    
    
		for (int i = 1; i <= 3; i++) {
    
    
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "->" + letter);
			letter++;
			if (letter > 'z') {
    
    
				letter = 'a';
			}
		}
		this.notify();
		try {
    
    
			this.wait();
		} catch (InterruptedException e) {
    
    
			e.printStackTrace();
		}
	}

	public synchronized void printUpper() {
    
    
		for (int i = 1; i <= 3; i++) {
    
    
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "->" + (char) (letter - 32));
			letter++;
			if (letter > 'z') {
    
    
				letter = 'a';
			}
		}
		this.notify();
		try {
    
    
			this.wait();
		} catch (InterruptedException e) {
    
    
			e.printStackTrace();
		}
	}
}

线程生命周期

观点1：5种状态

简单来说，线程的生命周期有五种状态：新建（New）、就绪（Runnable）、运行（Running）、阻塞（Blocked）、死亡（Dead）。CPU需要在多条线程之间切换，于是线程状态会多次在运行、阻塞、就绪之间切换。

死锁

不同的线程分别锁住对方需要的同步监视器对象不释放，都在等待对方先放弃时就形成了线程的死锁。一旦出现死锁，整个程序既不会发生异常，也不会给出任何提示，只是所有线程处于阻塞状态，无法继续。

public class TestDeadLock {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		Object g = new Object();
		Object m = new Object();
		Owner s = new Owner(g,m);
		Customer c = new Customer(g,m);
		new Thread(s).start();
		new Thread(c).start();
	}
}
class Owner implements Runnable{
    
    
	private Object goods;
	private Object money;

	public Owner(Object goods, Object money) {
    
    
		super();
		this.goods = goods;
		this.money = money;
	}

	@Override
	public void run() {
    
    
		synchronized (goods) {
    
    
			System.out.println("先给钱");
			synchronized (money) {
    
    
				System.out.println("发货");
			}
		}
	}
}
class Customer implements Runnable{
    
    
	private Object goods;
	private Object money;

	public Customer(Object goods, Object money) {
    
    
		super();
		this.goods = goods;
		this.money = money;
	}

	@Override
	public void run() {
    
    
		synchronized (money) {
    
    
			System.out.println("先发货");
			synchronized (goods) {
    
    
				System.out.println("再给钱");
			}
		}
	}
}

面试题：sleep()和wait()方法的区别

（1）sleep()不释放锁，wait()释放锁

（2）sleep()指定休眠的时间，wait()可以指定时间也可以无限等待直到notify或notifyAll

（3）sleep()在Thread类中声明的静态方法，wait方法在Object类中声明

因为我们调用wait（）方法是由锁对象调用，而锁对象的类型是任意类型的对象。那么希望任意类型的对象都要有的方法，只能声明在Object类中。