java多线程（三）线程的安全问题

1.1. 什么是线程安全

如果有多个线程同时运行同一个实现了Runnable接口的类，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，就是线程安全的；反之，则是线程不安全的。

1.2. 问题演示

为了演示线程安全问题，我们采用多线程模拟多个窗口同时售卖《肥潘大战猪八戒》电影票。

1.2.1.   第一步：创建售票线程类

package com.thread;

/**
 * @Auther: lanhaifeng
 * @Date: 2019/11/20 0020 21:06
 * @Description:多线程模拟多个窗口同时售卖电影票
 * @statement:
 */
public class Ticket implements Runnable{

    private int ticktNum= 0;//票号

    //线程售票
    public void run() {
        while(ticktNum<10){ //模拟售10张票
            //1.模拟出票时间
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            //2.打印进程号和票号，票数减1
            String name = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println("线程"+name+"售票：票号"+ticktNum++);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Ticket ticket = new Ticket();
        Thread thread1 = new Thread(ticket, "窗口1");
        Thread thread2 = new Thread(ticket, "窗口2");
        Thread thread3 = new Thread(ticket, "窗口3");
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }

}

运行结果如下：

程序出现了两个问题：

1. 相同的票数,比如0（第一张）这张票被卖了两回。

2. 不存在的票，比如10票，是不存在的。

1.3. 问题分析

线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。

若每个线程对全局变量、静态变量只读，不写，一般来说，这个变量是线程安全的；

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。

综上所述，线程安全问题根本原因：

l  多个线程在操作共享的数据；

l  操作共享数据的线程代码有多条；

l  多个线程对共享数据有写操作；

1.4. 问题解决-线程同步

要解决以上线程问题，只要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共享资源操作,Java引入了7种线程同步机制。今天重点介绍前三种，后边的第二天介绍。

1)         同步代码块（synchronized）

2)         同步方法（synchronized）

3)         同步锁（ReenreantLock）

4)         特殊域变量（volatile）

5)         局部变量（ThreadLocal）

6)         阻塞队列（LinkedBlockingQueue）

7)         原子变量（Atomic*）

1.4.1.   同步代码块（synchronized）

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。

语法:

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.

l  锁对象可以是任意类型。

l  多个线程要使用同一把锁。

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)。

使用同步代码块代码如下：

package com.thread;

/**
 * @Auther: lanhaifeng
 * @Date: 2019/11/20 0020 21:20
 * @Description:Synchronized实现多线程同步售票
 * @statement:
 */
public class TicketSynchronized implements Runnable{

    private int ticktNum= ;
    //定义锁对象
    Object obj= new Object();

    public void run() {
        while(ticktNum<){
            synchronized (obj){
                //1.模拟出票时间
                try {
                    Thread.sleep();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                //2.打印进程号和票号，票数减1
                String name = Thread.currentThread().getName();
                System.out.println("线程"+name+"售票：票号"+ticktNum++);
            }
        }
    }
    //测试
    public static void main(String[] args) {
        Ticket ticket = new Ticket();
        Thread thread1 = new Thread(ticket, "窗口1");
        Thread thread2 = new Thread(ticket, "窗口2");
        Thread thread3 = new Thread(ticket, "窗口3");
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }
}

执行结果如下：线程的安全问题，解决了。

1.4.2.   同步方法（synchronized）

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?

l  对于非static方法,同步锁就是this。

l  对于static方法,同步锁是当前方法所在类的字节码对象(类名.class)。

使用同步方法代码如下：

package com.thread;

/**
 * @Auther: lanhaifeng
 * @Date: 2019/11/20 0020 21:20
 * @Description:Synchronized实现多线程同步售票
 * @statement:
 */
public class TicketSynchronized implements Runnable{

    private int ticktNum= ;
    //定义锁对象
    Object obj= new Object();

    public void run() {
        while(true){
            sellTicket();
        }
    }

    /**
     * 同步方法
     */
    private synchronized void sellTicket(){
        if(ticktNum< ){
            //1.模拟出票时间
            try {
                Thread.sleep();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            //2.打印进程号和票号，票数减1
            String name = Thread.currentThread().getName();
            System.out.println("线程"+name+"售票：票号"+ticktNum++);
        }
    }

    //测试
    public static void main(String[] args) {
        Ticket ticket = new Ticket();
        Thread thread1 = new Thread(ticket, "窗口1");
        Thread thread2 = new Thread(ticket, "窗口2");
        Thread thread3 = new Thread(ticket, "窗口3");
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }
}

执行结果如下：线程的安全问题，解决了。

1.4.3.   同步锁（ReenreantLock）

同步锁：

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。

同步锁方法：

public void lock() :加同步锁。

public void unlock() :释放同步锁。

使用重入锁代码如下：

package com.thread;

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

/**
 * @Auther: lanhaifeng
 * @Date: 2019/11/20 0020 21:40
 * @Description:多线程ReentrantLock同步实现售票
 * @statement:
 */
public class ThreadReentrantLock implements Runnable{

    private int ticktNum= ;

    //定义锁对象：构造函数参数为线程是否公平获取锁true-公平；false-不公平，即由某个线程独占，默认是false非公平锁
    Lock lock= new ReentrantLock(true);

    public void run() {
        while(true){
            lock.lock();//加锁
            try{
                if(ticktNum<){
                //1.模拟出票时间
                    try {
                        Thread.sleep();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    //2.打印进程号和票号，票数+1
                    String name = Thread.currentThread().getName();
                    System.out.println("线程"+name+"售票：票号"+ticktNum++);
                }
            } finally {
                //放锁
                lock.unlock();
            }
        }
    }
    //测试
    public static void main(String[] args) {
        Ticket ticket = new Ticket();
        Thread thread1 = new Thread(ticket, "窗口1");
        Thread thread2 = new Thread(ticket, "窗口2");
        Thread thread3 = new Thread(ticket, "窗口3");
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }
}

执行效果如下：

1.5. 小结

Synchronized和Lock区别

l  synchronized是java内置关键字，在jvm层面，Lock是个java类；

l  synchronized无法判断是否获取锁的状态，Lock可以判断是否获取到锁；（他的加锁方式有三种，使用lock、trylock、trylock(long，TimeUnit)指定时间参数。使用lock来获取锁的话，如果锁被其他线程持有，那么就会处于等待状态。另外需要我们去主动的调用unlock方法去释放锁，即使发生异常，他也不会主动释放锁，需要我们显式的释放。使用trylock方法获取锁，是有返回值的，获取成功返回true，获取失败返回false，不会一直处于等待状态。使用trylock(long，TimeUnit)指定时间参数来获取锁，在等待时间内获取到锁返回true，超时返回false。还可以调用lockInterruptibly方法去中断锁，如果线程正在等待获取锁，可以中断线程的等待状态。）

l  synchronized会自动释放锁(a 线程执行完同步代码会释放锁；b 线程执行过程中发生异常会释放锁)，Lock需在finally中手工释放锁（unlock()方法释放锁），否则容易造成线程死锁；

l  用synchronized关键字的两个线程1和线程2，如果当前线程1获得锁，线程2线程等待。如果线程1阻塞，线程2则会一直等待下去，而Lock锁就不一定会等待下去，如果尝试获取不到锁，线程可以不用一直等待就结束了；

l  synchronized的锁可重入、不可中断、非公平，而Lock锁可重入、可判断、可公平（默认非公平，两者皆可）

l  Lock锁适合大量同步的代码的同步问题，synchronized锁适合代码少量的同步问题。