Java多线程之线程安全

Java多线程之线程安全

保证线程安全的方法

Synchronized，同步方法，同步块
Volatile，修饰变量
Lock，可重入锁，读写锁
不变类，final class，很少使用
线程安全类
不使用共享变量
ThreadLocal

线程安全类

Vector、Hashtable，如果不涉及线程安全，用这些类就会浪费资源
用静态同步方法封装非同步集合

// Collections中有很多静态的同步方法，来同步那些非同步的集合
List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());

ThreadLocal

给每个线程一个变量拷贝，由线程自己来维护，导致每个线程间的这个变量相互独立，也就没有了共享变量，所以线程安全。

在高并发场景：如果不考虑延迟、共享数据，这会是个不错的选择。

不可变对象

不可变对象可以在没有同步的情况下共享，降低访问时的同步开销。

创建不可变类

全部变量都是私有的
通过构造函数初始化私有变量
没有setter方法，只有getter方法
getter方法不要直接返回对象本身，要返回克隆对象

线程安全单例

对于单例模式，我们需要注意的是，有一些单例的写法是线程安全的，而有些是非线程安全的。

饿汉单例（线程安全）

// 在类装载时就实例化
public class Singleton {
    private static Singleton sin=new Singleton();    ///直接初始化一个实例对象
    private Singleton(){    ///private类型的构造函数，保证其他类对象不能直接new一个该对象的实例
    }
    public static Singleton getSin(){    ///该类唯一的一个public方法    
        return sin;
    }
}

懒汉单例（非线程安全）

// 在使用时再实例化
public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
  
    public static Singleton getInstance() {  
    if (instance == null) {  
        instance = new Singleton();  
    }  
    return instance;  
    }  
}

加锁的懒汉单例（线程安全）

// 这种加锁的方式虽然能解决线程安全，但是影响性能
public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
    public static synchronized Singleton getInstance() {  
    if (instance == null) {  
        instance = new Singleton();  
    }  
    return instance;  
    }  
}

双重校验锁的懒汉单例（线程安全）

// 保证了线程安全和性能
public class Singleton {  
    private volatile static Singleton singleton;  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getSingleton() {  
    if (singleton == null) {  
        synchronized (Singleton.class) {  
        if (singleton == null) {  
            singleton = new Singleton();  
        }  
        }  
    }  
    return singleton;  
    }  
}

常用的同步类

CountDownLatch：闭锁，运动员计时
Semaphone：信号量，并发资源访问控制
CyclicBarrier：栅栏，游戏中等待所有人到了，再进入下一关
Phaser：一种可重用的同步屏障，功能上类似于CyclicBarrier和CountDownLatch，但使用上更为灵活。
Exchanger：允许两个线程在某个汇合点交换对象，在某些管道设计时比较有用。

CountDownLatch

一个同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待。

主要方法

// 构造方法参数指定了计数的次数
public CountDownLatch(int count);

// 当前线程调用此方法，则计数减一
public void countDown();

// 调用此方法会一直阻塞当前线程，直到计时器的值为0
public void await() throws InterruptedException

代码

public class CountDownLatchDemo {  
    final static SimpleDateFormat sdf=new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        CountDownLatch latch=new CountDownLatch(2);//两个工人的协作  
        Worker worker1=new Worker("zhang san", 5000, latch);  
        Worker worker2=new Worker("li si", 8000, latch);  
        worker1.start();//  
        worker2.start();//  
        latch.await();//等待所有工人完成工作  
        System.out.println("all work done at "+sdf.format(new Date()));  
    }  
      
      
    static class Worker extends Thread{  
        String workerName;   
        int workTime;  
        CountDownLatch latch;  
        public Worker(String workerName ,int workTime ,CountDownLatch latch){  
             this.workerName=workerName;  
             this.workTime=workTime;  
             this.latch=latch;  
        }  
        public void run(){  
            System.out.println("Worker "+workerName+" do work begin at "+sdf.format(new Date()));  
            doWork();//工作了  
            System.out.println("Worker "+workerName+" do work complete at "+sdf.format(new Date()));  
            latch.countDown();//工人完成工作，计数器减一  
  
        }  
          
        private void doWork(){  
            try {  
                Thread.sleep(workTime);  
            } catch (InterruptedException e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
        }  
    }  
      
       
}

结果

Worker zhang san do work begin at 2011-04-14 11:05:11

Worker li si do work begin at 2011-04-14 11:05:11

Worker zhang san do work complete at 2011-04-14 11:05:16

Worker li si do work complete at 2011-04-14 11:05:19

all work done at 2011-04-14 11:05:19

Semaphore

厕所有5个坑，假如有10个人要上厕所，那么同时只能有多少个人去上厕所呢？同时只能有5个人能够占用，当5个人中的任何一个人让开后，其中等待的另外5个人中又有一个人可以占用了。另外等待的5个人中可以是随机获得优先机会，也可以是按照先来后到的顺序获得机会，这取决于构造Semaphore对象时传入的参数选项。单个信号量的Semaphore对象可以实现互斥锁的功能，并且可以是由一个线程获得了“锁”，再由另一个线程释放“锁”，这可应用于死锁恢复的一些场合。

主要方法

// 构造函数，定义只有5个信号量
Semaphore(5)

// 获取一个许可，如果没有就等待
acquire()

// 释放一个许可
release()

代码

package com.test;

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

public class TestSemaphore {

    public static void main(String[] args) {

        // 线程池
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

        // 只能5个线程同时访问
        final Semaphore semp = new Semaphore(5);
        
        // 模拟20个客户端访问
        for (int index = 0; index < 20; index++) {

            final int NO = index;
            Runnable run = new Runnable() {
                public void run() {

                    try {
                            // 获取许可
                            semp.acquire();
                            System.out.println("Accessing: " + NO);
                            Thread.sleep((long) (Math.random() * 10000));
                            // 访问完后，释放
                            semp.release();
                            System.out.println("-----------------"+semp.availablePermits());
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
    
                    }
                }

            };
            exec.execute(run);
        }
        // 退出线程池
        exec.shutdown();
       }
}

结果

Accessing: 0

Accessing: 1

Accessing: 3

Accessing: 4

Accessing: 2

-----------------0

Accessing: 6

-----------------1

Accessing: 7

-----------------1

Accessing: 8

-----------------1

Accessing: 10

-----------------1

Accessing: 9

-----------------1

Accessing: 5

-----------------1

Accessing: 12

-----------------1

Accessing: 11

-----------------1

Accessing: 13

-----------------1

Accessing: 14

-----------------1

Accessing: 15

-----------------1

Accessing: 16

-----------------1

Accessing: 17

-----------------1

Accessing: 18

-----------------1

Accessing: 19

CyclicBarrier

循环障栅栏，一组线程写操作，并且只有所有线程完成写操作，才继续做后面的事

常用方法

// 构造函数，定义三个线程
CyclicBarrier(3);

// 当所有参与者都调用await()之前，前面执行完的线程一直等待
await()

代码

public class CyclicBarrierTest {  
  
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {  
        //如果将参数改为4，但是下面只加入了3个选手，这永远等待下去  
        //Waits until all parties have invoked await on this barrier.   
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3);  
  
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);  
        executor.submit(new Thread(new Runner(barrier, "1号选手")));  
        executor.submit(new Thread(new Runner(barrier, "2号选手")));  
        executor.submit(new Thread(new Runner(barrier, "3号选手")));  
  
        executor.shutdown();  
    }  
}  
  
class Runner implements Runnable {  
    // 一个同步辅助类，它允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)  
    private CyclicBarrier barrier;  
  
    private String name;  
  
    public Runner(CyclicBarrier barrier, String name) {  
        super();  
        this.barrier = barrier;  
        this.name = name;  
    }  
  
    @Override  
    public void run() {  
        try {  
            Thread.sleep(1000 * (new Random()).nextInt(8));  
            System.out.println(name + " 准备好了...");  
            // barrier的await方法，在所有参与者都已经在此 barrier 上调用 await 方法之前，将一直等待。  
            barrier.await();  
        } catch (InterruptedException e) {  
            e.printStackTrace();  
        } catch (BrokenBarrierException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
        System.out.println(name + " 起跑！");  
    }  
}

结果

3号选手准备好了...

2号选手准备好了...

1号选手准备好了...

1号选手起跑！

2号选手起跑！

3号选手起跑！

为什么只有ConcurrentHashMap，没有Concurrent的List？

从上面的描述，可以体现出Concurrent 比 CopyOnWrite要好，因为保证线程安全和并发瓶颈，那为什么List没有Concurrent实习那呢？

原因

Concurrent的List很难实现，例如：contains() 这样一个操作来说，当你进行搜索的时候如何避免锁住整个list？

同时，这也与ConcurrentHashMap的实现方式有关，一个ConcurrentHashMap由多个segment组成，每一个segment都包含了一个HashEntry数组的hashtable，每一个segment包含了对自己的hashtable的操作，比如get，put，replace等操作，这些操作发生的时候，对自己的hashtable进行锁定。由于每一个segment写操作只锁定自己的hashtable，所以可能存在多个线程同时写的情况，性能无疑好于只有一个hashtable锁定的情况。

同理，由于HashTable的value不能为null，所以就没有ConcurrentHashSet。

Java多线程之线程安全

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