并发编程系列教程（02） - 多线程安全

本文链接： https://blog.csdn.net/qq_20042935/article/details/102687393

文章涉及到的代码已上传到Github，有兴趣的同学可以参考下（https://github.com/ylw-github/Java-ThreadDemo）

1. 什么是线程安全

当多个线程同时共享时，全局变量或静态变量,做写操作时，可能会发生数据冲突的过程，也就是线程安全的问题。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。

package com.ylw.thread;

public class ThreadSafeDemo {
    
    public static class ThreadTrain implements Runnable {
        private int trainCount = 100;

        @Override
        public void run() {
            while (trainCount > 0) {
                try {
                    Thread.sleep(50);
                } catch (Exception e) {

                }
                sale();
            }
        }

        public void sale() {
            if (trainCount > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
                trainCount--;
            }
        }

        public static void main(String[] args) {
            ThreadTrain threadTrain = new ThreadTrain();
            Thread t1 = new Thread(threadTrain, "①号");
            Thread t2 = new Thread(threadTrain, "②号");
            t1.start();
            t2.start();
        }

    }
}

运行结果:
在这里插入图片描述
一号窗口和二号窗口同时出售火车第九十五张,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。

2. 线程安全的解决方法

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。

问:什么是多线程同步
答:当多个线程共享同一个资源,不会受到其他线程的干扰。

2.1 内置的锁

Java提供了一种内置的锁机制来支持原子性

每一个Java对象都可以用作一个实现同步的锁，称为内置锁，线程进入同步代码块之前自动获取到锁，代码块执行完成正常退出或代码块中抛出异常退出时会释放掉锁。

内置锁为互斥锁，即线程A获取到锁后，线程B阻塞直到线程A释放锁，线程B才能获取到同一个锁。

内置锁使用synchronized关键字实现，synchronized关键字有两种用法：

修饰需要进行同步的方法（所有访问状态变量的方法都必须进行同步），此时充当锁的对象为调用同步方法的对象
同步代码块和直接使用synchronized修饰需要同步的方法是一样的，但是锁的粒度可以更细，并且充当锁的对象不一定是this，也可以是其它对象，所以使用起来更加灵活

2.2 同步代码块synchronized

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：

必须要有两个或者两个以上的线程
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:

public void sale() {
		synchronized (this) {
			if (trainCount > 0) {
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
				trainCount--;
			}
		}
	}

2.3 同步方法

什么是同步方法？

答：在方法上修饰synchronized 称为同步方法

代码样例:

public synchronized void sale() {
		if (trainCount > 0) {
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
			trainCount--;
		}
	}

同步方法使用的是什么锁？

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.ylw.thread;

public class LockDemo {
    static class Thread009 implements Runnable {
        private int trainCount = 100;
        private Object oj = new Object();
        public boolean flag = true;

        public void run() {

            if (flag) {
                while (trainCount > 0) {
                    synchronized (this) {
                        try {
                            Thread.sleep(10);
                        } catch (Exception e) {
                            // TODO: handle exception
                        }
                        if (trainCount > 0) {
                            System.out
                                    .println(Thread.currentThread().getName() + "," + "出售第" + (100 - trainCount + 1) + "票");
                            trainCount--;
                        }
                    }

                }
            } else {
                while (trainCount > 0) {
                    sale();
                }

            }

        }

        public synchronized void sale() {

            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (Exception e) {
                // TODO: handle exception
            }
            if (trainCount > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "," + "出售第" + (100 - trainCount + 1) + "票");
                trainCount--;
            }

        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread009 threadTrain = new Thread009();
        Thread t1 = new Thread(threadTrain, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(threadTrain, "窗口2");
        t1.start();
        Thread.sleep(40);
        threadTrain.flag = false;
        t2.start();

    }
}

2.4 静态同步函数

问：什么是静态同步函数？

答：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:

public static void sale() {
		synchronized (ThreadTrain3.class) {
			if (trainCount > 0) {
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
				trainCount--;
			}
		}
}

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

3.多线程死锁

问：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:

class Thread009 implements Runnable {
	private int trainCount = 100;
	private Object oj = new Object();
	public boolean flag = true;

	public void run() {

		if (flag) {
			while (trainCount > 0) {
				synchronized (oj) {
					try {
						Thread.sleep(10);
					} catch (Exception e) {
						// TODO: handle exception
					}
					sale();
				}

			}
		} else {
			while (trainCount > 0) {
				sale();
			}

		}

	}

	public synchronized void sale() {
		synchronized (oj) {
			try {
				Thread.sleep(10);
			} catch (Exception e) {

			}
			if (trainCount > 0) {
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "," + "出售第" + (100 - trainCount + 1) + "票");
				trainCount--;
			}
		}
	}
}

public class Test009 {
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		Thread009 threadTrain = new Thread009();
		Thread t1 = new Thread(threadTrain, "窗口1");
		Thread t2 = new Thread(threadTrain, "窗口2");
		t1.start();
		Thread.sleep(40);
		threadTrain.flag = false;
		t2.start();

	}
}}

4.ThreadLocal

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。

4.1 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。

4.2 案例

创建三个线程，每个线程生成自己独立序列号，代码如下:

public class ThreadLocalDemo {

    public static 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 static class ThreadDemo extends Thread{
        private Res res;

        public ThreadDemo(Res res) {
            this.res = res;
        }
        @Override
        public void run() {
            super.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();
        ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo(res);
        ThreadDemo threadDemo1 = new ThreadDemo(res);
        ThreadDemo threadDemo2 = new ThreadDemo(res);
        threadDemo.start();
        threadDemo1.start();
        threadDemo2.start();
    }
}

4.1 ThreadLoca实现原理

ThreadLoca通过map集合
Map.put(“当前线程”,值)；

5.多线程的三大特性

原子性、可见性、有序性

5.1 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。

5.2 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。

5.3 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。

总结

在这里插入图片描述