多线程—7种同步方法
关于线程同步(7种方式)
- 同步方法
- 同步代码块
- 使用重入锁实现线程同步（ReentrantLock）
- 使用特殊域变量(volatile)实现同步(每次重新计算，安全但并非一致)
- 使用局部变量实现线程同步（ThreadLocal）以空间换时间
- 使用原子变量实现线程同步(AtomicInteger(乐观锁))
- 使用阻塞队列实现线程同步(BlockingQueue （常用）add(),offer(),put()
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为何要使用同步？
java允许多线程并发控制，当多个线程同时操作一个可共享的资源变量时（如数据的增删改查），
将会导致数据不准确，相互之间产生冲突，因此加入同步锁以避免在该线程没有完成操作之前，被其他线程的调用，
从而保证了该变量的唯一性和准确性。
即有synchronized关键字修饰的方法。
由于java的每个对象都有一个内置锁，当用此关键字修饰方法时，
内置锁会保护整个方法。在调用该方法前，需要获得内置锁，否则就处于阻塞状态。
代码如：
public synchronized void save(){}
注： synchronized关键字也可以修饰静态方法，此时如果调用该静态方法，将会锁住整个类
即有synchronized关键字修饰的语句块。
被该关键字修饰的语句块会自动被加上内置锁，从而实现同步
代码如：
synchronized(object){
}
注：同步是一种高开销的操作，因此应该尽量减少同步的内容。
通常没有必要同步整个方法，使用synchronized代码块同步关键代码即可。
代码实例：
package com.xhj.thread;
/**
* 线程同步的运用
*
* @author XIEHEJUN
*
*/
public class SynchronizedThread {
class Bank {
private int account = 100;
public int getAccount() {
return account;
}
/**
* 用同步方法实现
*
* @param money
*/
public synchronized void save(int money) {
account += money;
}
/**
* 用同步代码块实现
*
* @param money
*/
public void save1(int money) {
synchronized (this) {
account += money;
}
}
}
class NewThread implements Runnable {
private Bank bank;
public NewThread(Bank bank) {
this.bank = bank;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
// bank.save1(10);
bank.save(10);
System.out.println(i + “账户余额为：” + bank.getAccount());
}
}
}
/**
* 建立线程，调用内部类
*/
public void useThread() {
Bank bank = new Bank();
NewThread new_thread = new NewThread(bank);
System.out.println(“线程1”);
Thread thread1 = new Thread(new_thread);
thread1.start();
System.out.println(“线程2”);
Thread thread2 = new Thread(new_thread);
thread2.start();
}
public static void main(String[] args) {
SynchronizedThread st = new SynchronizedThread();
st.useThread();
}
}
在JavaSE5.0中新增了一个java.util.concurrent包来支持同步。
ReentrantLock类是可重入、互斥、实现了Lock接口的锁，
它与使用synchronized方法和块具有相同的基本行为和语义，并且扩展了其能力
ReentrantLock类的常用方法有：
ReentrantLock() : 创建一个ReentrantLock实例
lock() : 获得锁
unlock() : 释放锁
注：ReentrantLock()还有一个可以创建公平锁的构造方法，但由于能大幅度降低程序运行效率，不推荐使用
例如：
在上面例子的基础上，改写后的代码为:
代码实例：
//只给出要修改的代码，其余代码与上同
class Bank {
private int account = 100;
//需要声明这个锁
private Lock lock = new ReentrantLock();
public int getAccount() {
return account;
}
//这里不再需要synchronized
public void save(int money) {
lock.lock();
try{
account += money;
}finally{
lock.unlock();
}
}
｝
注：关于Lock对象和synchronized关键字的选择：
a.最好两个都不用，使用一种java.util.concurrent包提供的机制，
能够帮助用户处理所有与锁相关的代码。
b.如果synchronized关键字能满足用户的需求，就用synchronized，因为它能简化代码
c.如果需要更高级的功能，就用ReentrantLock类，此时要注意及时释放锁，否则会出现死锁，通常在finally代码释放锁
a.volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制，
b.使用volatile修饰域相当于告诉虚拟机该域可能会被其他线程更新，
c.因此每次使用该域就要重新计算，而不是使用寄存器中的值
d.volatile不会提供任何原子操作，它也不能用来修饰final类型的变量
例如：
在上面的例子当中，只需在account前面加上volatile修饰，即可实现线程同步。
代码实例：
//只给出要修改的代码，其余代码与上同
class Bank {
//需要同步的变量加上volatile
private volatile int account = 100;
public int getAccount() {
return account;
}
//这里不再需要synchronized
public void save(int money) {
account += money;
}
｝
注：多线程中的非同步问题主要出现在对域的读写上，如果让域自身避免这个问题，则就不需要修改操作该域的方法。
用final域，有锁保护的域和volatile域可以避免非同步的问题。
可见性：可见性在java内存模型中有定义，可以参看。
普通变量则没有，他们在线程之间的交互是通过主内存来完成，volatile变量则是通过主内存完成交换，但是两者区别在于volatile变量能立即同步到主内存中，当一个线程修改变量的变量的时候，立刻会被其他线程感知到。
特别注意一点：volatile变量的可见性经常性被误解，认为，valotile变量在各个线程中是一致的。所以基于volatile变量是安全的。这种认为是错误的。论据是正确的，但是得出的是安全的就不正确了。不会存在不一致性问题（在各个的工作内存中可以存在不一致的情况，但是由于每次使用之前都要刷新，执行引擎看不到不一致的问题，因此认为不存在不一致的问题）但是java里面的运算中并非原子操作，导致volatile变量的运算在并发下一样不安全。
实现可见性方式： 1.volatile 2.synchronized 3.final
如果使用ThreadLocal管理变量，则每一个使用该变量的线程都获得该变量的副本，
副本之间相互独立，这样每一个线程都可以随意修改自己的变量副本，而不会对其他线程产生影响。变量局部化。
java.lang
类 ThreadLocal<T>
java.lang.ThreadLocal<T>
直接已知子类：
ThreadLocal 类的常用方法
ThreadLocal() : 创建一个线程本地变量
get() : 返回此线程局部变量的当前线程副本中的值
initialValue() : 返回此线程局部变量的当前线程的”初始值”
set(value) : 将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为value
例如：
在上面例子基础上，修改后的代码为：
代码实例：
//只改Bank类，其余代码与上同
public class Bank{
//使用ThreadLocal类管理共享变量account
private static ThreadLocal<Integer> account = new ThreadLocal<Integer>(){
@Override
protected Integer initialValue(){
return 100;
}
};
public void save(int money){
account.set(account.get()+money);
}
public int getAccount(){
return account.get();
}
}
注：ThreadLocal与同步机制
a.ThreadLocal与同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。
b.前者采用以”空间换时间”的方法，后者采用以”时间换空间”的方式
需要使用线程同步的根本原因在于对普通变量的操作不是原子的。
那么什么是原子操作呢？
原子操作就是指将读取变量值、修改变量值、保存变量值看成一个整体来操作
即-这几种行为要么同时完成，要么都不完成。
在java的util.concurrent.atomic包中提供了创建了原子类型变量的工具类，
使用该类可以简化线程同步。小工具包，支持在单个变量上解除锁的线程安全编程。
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类摘要 |
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可以用原子方式更新的 boolean 值。 |
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可以用原子方式更新的 int 值。 |
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可以用原子方式更新其元素的 int 数组。 |
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基于反射的实用工具，可以对指定类的指定 volatile int 字段进行原子更新。 |
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可以用原子方式更新的 long 值。 |
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可以用原子方式更新其元素的 long 数组。 |
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基于反射的实用工具，可以对指定类的指定 volatile long 字段进行原子更新。 |
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AtomicMarkableReference 维护带有标记位的对象引用，可以原子方式对其进行更新。 |
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可以用原子方式更新的对象引用。 |
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可以用原子方式更新其元素的对象引用数组。 |
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基于反射的实用工具，可以对指定类的指定 volatile 字段进行原子更新。 |
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AtomicStampedReference 维护带有整数”标志”的对象引用，可以用原子方式对其进行更新。 |
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其中AtomicInteger(乐观锁)为例 ：
表可以用原子方式更新int的值，可用在应用程序中(如以原子方式增加的计数器)，但不能用于替换Integer；可扩展Number，允许那些处理机遇数字类的工具和实用工具进行统一访问。
AtomicInteger类常用方法：
AtomicInteger(int initialValue) : 创建具有给定初始值的新的AtomicInteger
addAndGet(int dalta) : 以原子方式将给定值与当前值相加
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int |
getAndAdd(int delta) 以原子方式将给定值与当前值相加。 |
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int |
getAndDecrement() 以原子方式将当前值减 1。 |
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int |
getAndIncrement() 以原子方式将当前值加 1。 |
int get() : 获取当前值
set（）：设置给定初始值
代码实例：
只改Bank类，其余代码与上面第一个例子同
1 class Bank {
2 private AtomicInteger account = new AtomicInteger(100);
3
4 public AtomicInteger getAccount() {
5 return account;
6 }
7
8 public void save(int money) {
//以原子方式将给定值与当前值相加
9 account.addAndGet(money);
10 }
11 }
阻塞队列与普通队列的区别在于，当队列是空的时，从队列中获取元素的操作将会被阻塞，或者当队列是满时，往队列里添加元素的操作会被阻塞。试图从空的阻塞队列中获取元素的线程将会被阻塞，直到其他的线程往空的队列插入新的元素。同样，试图往已满的阻塞队列中添加新元素的线程同样也会被阻塞，直到其他的线程使队列重新变得空闲起来，如从队列中移除一个或者多个元素，或者完全清空队列，同时，阻塞队列里面的put、take方法是被加：synchronized 同步限制，下图展示了如何通过阻塞队列来合作：
add()方法会抛出异常 offer()方法返回false put()方法会阻塞
二、几种常见阻塞队列
1、BlockingQueue （常用）
获取元素的时候等待队列里有元素，否则阻塞
保存元素的时候等待队列里有空间，否则阻塞
用来简化生产者消费者在多线程环境下的开发
2、ArrayBlockingQueue （数组阻塞队列）
FIFO、数组实现
有界阻塞队列，一旦指定了队列的长度，则队列的大小不能被改变
在生产者消费者例子中，如果生产者生产实体放入队列超过了队列的长度，则在offer(或者put,add)的时候会被阻塞，直到队列的实体数量< 队列的
初始size为止。不过可以设置超时时间，超时后队列还未空出位置，则offer失败。
如果消费者发现队列里没有可被消费的实体时也会被阻塞，直到有实体被生产出来放入队列位置，不过可以设置等待的超时时间，超过时间后会返
回null
3、DelayQueue （延迟队列）
有界阻塞延时队列，当队列里的元素延时期未到是，通过take方法不能获取，会被阻塞，直到有元素延时到期为止
如：
1.obj 5s 延时到期
2.obj 6s 延时到期
3.obj 9s 延时到期
那么在take的时候，需要等待5秒钟才能获取第一个obj，再过1s后可以获取第二个obj，再过3s后可以获得第三个obj
这个队列可以用来处理session过期失效的场景，比如session在创建的时候设置延时到期时间为30分钟，放入延时队列里，然后通过一个线程来获 取这个队列元素，只要能被获取到的，表示已经是过期的session，被获取的session可以肯定超过30分钟了，这时对session进行失效。
4、LinkedBlockingQueue （链表阻塞队列）
FIFO、Node链表结构
可以通过构造方法设置capacity来使得阻塞队列是有界的，也可以不设置，则为无界队列
其他功能类似ArrayBlockingQueue
5、PriorityBlockingQueue （优先级阻塞队列）
无界限队列，相当于PriorityQueue + BlockingQueue
插入的对象必须是可比较的，或者通过构造方法实现插入对象的比较器Comparator<? super E>
队列里的元素按Comparator<? super E> comparator比较结果排序，PriorityBlockingQueue可以用来处理一些有优先级的事物。比如短信发送优先 级队列，队列里已经有某企业的100000条短信，这时候又来了一个100条紧急短信，优先级别比较高，可以通过PriorityBlockingQueue来轻松实现 这样的功能。这样这个100条可以被优先发送
前面5种同步方式都是在底层实现的线程同步，但是我们在实际开发当中，应当尽量远离底层结构。
使用javaSE5.0版本中新增的java.util.concurrent包将有助于简化开发。
本小节主要是使用LinkedBlockingQueue<E>来实现线程的同步
LinkedBlockingQueue<E>是一个基于已连接节点的，范围任意的blocking queue。
队列是先进先出的顺序（FIFO），关于队列以后会详细讲解~
LinkedBlockingQueue 类常用方法
LinkedBlockingQueue() : 创建一个容量为Integer.MAX_VALUE的LinkedBlockingQueue
put(E e) : 在队尾添加一个元素，如果队列满则阻塞
size() : 返回队列中的元素个数
take() : 移除并返回队头元素，如果队列空则阻塞
代码实例：
实现商家生产商品和买卖商品的同步
1 package com.xhj.thread;
2
3 import java.util.Random;
4 import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
5
6 /**
7 * 用阻塞队列实现线程同步 LinkedBlockingQueue的使用
8 *
9 * @author XIEHEJUN
10 *
11 */
12 public class BlockingSynchronizedThread {
13 /**
14 * 定义一个阻塞队列用来存储生产出来的商品
15 */
16 private LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<Integer>();
17 /**
18 * 定义生产商品个数
19 */
20 private static final int size = 10;
21 /**
22 * 定义启动线程的标志，为0时，启动生产商品的线程；为1时，启动消费商品的线程
23 */
24 private int flag = 0;
25
26 private class LinkBlockThread implements Runnable {
27 @Override
28 public void run() {
29 int new_flag = flag++;
30 System.out.println(“启动线程 ” + new_flag);
31 if (new_flag == 0) {
32 for (int i = 0; i < size; i++) {
33 int b = new Random().nextInt(255);
34 System.out.println(“生产商品：” + b + “号”);
35 try {
36 queue.put(b);
37 } catch (InterruptedException e) {
38 // TODO Auto-generated catch block
39 e.printStackTrace();
40 }
41 System.out.println(“仓库中还有商品：” + queue.size() + “个”);
42 try {
43 Thread.sleep(100);
44 } catch (InterruptedException e) {
45 // TODO Auto-generated catch block
46 e.printStackTrace();
47 }
48 }
49 } else {
50 for (int i = 0; i < size / 2; i++) {
51 try {
52 int n = queue.take();
53 System.out.println(“消费者买去了” + n + “号商品”);
54 } catch (InterruptedException e) {
55 // TODO Auto-generated catch block
56 e.printStackTrace();
57 }
58 System.out.println(“仓库中还有商品：” + queue.size() + “个”);
59 try {
60 Thread.sleep(100);
61 } catch (Exception e) {
62 // TODO: handle exception
63 }
64 }
65 }
66 }
67 }
68
69 public static void main(String[] args) {
70 BlockingSynchronizedThread bst = new BlockingSynchronizedThread();
71 LinkBlockThread lbt = bst.new LinkBlockThread();
72 Thread thread1 = new Thread(lbt);
73 Thread thread2 = new Thread(lbt);
74 thread1.start();
75 thread2.start();
76
77 }
78
79 }
注：BlockingQueue<E>定义了阻塞队列的常用方法，尤其是三种添加元素的方法，我们要多加注意，当队列满时：
add()方法会抛出异常
offer()方法返回false
put()方法会阻塞