Java 多线程同步的五种方法

一、引言

闲话不多说，进入正题。

二、为什么要线程同步

因为当我们有多个线程要同时访问一个变量或对象时，如果这些线程中既有读又有写操作时，就会导致变量值或对象的状态出现混乱，从而导致程序异常。举个例子，如果一个银行账户同时被两个线程操作，一个取100块，一个存钱100块。假设账户原本有0块，如果取钱线程和存钱线程同时发生，会出现什么结果呢？取钱不成功，账户余额是100.取钱成功了，账户余额是0.那到底是哪个呢？很难说清楚。因此多线程同步就是要解决这个问题。

三、不同步时的代码

Bank.java

package threadTest;  

/**
 * @author ww
 *
 */
public class Bank {  

    private int count =0;//账户余额  

    //存钱
    public  void addMoney(int money){
        count +=money;
        System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money);
    }  

    //取钱
    public  void subMoney(int money){
        if(count-money < 0){
            System.out.println("余额不足");
            return;
        }
        count -=money;
        System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
    }  

    //查询
    public void lookMoney(){
        System.out.println("账户余额："+count);
    }
}

SyncThreadTest.java

package threadTest;  

public class SyncThreadTest {  

    public static void main(String args[]){
        final Bank bank=new Bank();  

        Thread tadd=new Thread(new Runnable() {  

            @Override
            public void run() {
                // TODO Auto-generated method stub
                while(true){
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                    bank.addMoney(100);
                    bank.lookMoney();
                    System.out.println("\n");  

                }
            }
        });  

        Thread tsub = new Thread(new Runnable() {  

            @Override
            public void run() {
                // TODO Auto-generated method stub
                while(true){
                    bank.subMoney(100);
                    bank.lookMoney();
                    System.out.println("\n");
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        });
        tsub.start();  

        tadd.start();
    }  

}

代码很简单，我就不解释了，看看运行结果怎样呢？截取了其中的一部分，是不是很乱，有写看不懂。

余额不足
账户余额：0  

余额不足
账户余额：100  

1441790503354存进：100
账户余额：100  

1441790504354存进：100
账户余额：100  

1441790504354取出：100
账户余额：100  

1441790505355存进：100
账户余额：100  

1441790505355取出：100
账户余额：100

四、使用同步时的代码

（1）同步方法：

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。

修改后的Bank.java

package threadTest;  

/**
 * @author ww
 *
 */
public class Bank {  

    private int count =0;//账户余额  

    //存钱
    public  synchronized void addMoney(int money){
        count +=money;
        System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money);
    }  

    //取钱
    public  synchronized void subMoney(int money){
        if(count-money < 0){
            System.out.println("余额不足");
            return;
        }
        count -=money;
        System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
    }  

    //查询
    public void lookMoney(){
        System.out.println("账户余额："+count);
    }
}

再看看运行结果：

余额不足
账户余额：0  

余额不足
账户余额：0  

1441790837380存进：100
账户余额：100  

1441790838380取出：100
账户余额：0
1441790838380存进：100
账户余额：100  

1441790839381取出：100
账户余额：0

瞬间感觉可以理解了吧。

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

（2）同步代码块

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

Bank.java代码如下：

package threadTest;  

/**
 * @author ww
 *
 */
public class Bank {  

    private int count =0;//账户余额  

    //存钱
    public   void addMoney(int money){  

        synchronized (this) {
            count +=money;
        }
        System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money);
    }  

    //取钱
    public   void subMoney(int money){  

        synchronized (this) {
            if(count-money < 0){
                System.out.println("余额不足");
                return;
            }
            count -=money;
        }
        System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
    }  

    //查询
    public void lookMoney(){
        System.out.println("账户余额："+count);
    }
}

运行结果如下：

余额不足
账户余额：0  

1441791806699存进：100
账户余额：100  

1441791806700取出：100
账户余额：0  

1441791807699存进：100
账户余额：100

效果和方法一差不多。

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。

（3）使用特殊域变量(Volatile)实现线程同步

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

Bank.java代码如下：

package threadTest;  

/**
 * @author ww
 *
 */
public class Bank {  

    private volatile int count = 0;// 账户余额  

    // 存钱
    public void addMoney(int money) {  

        count += money;
        System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进：" + money);
    }  

    // 取钱
    public void subMoney(int money) {  

        if (count - money < 0) {
            System.out.println("余额不足");
            return;
        }
        count -= money;
        System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money);
    }  

    // 查询
    public void lookMoney() {
        System.out.println("账户余额：" + count);
    }
}

运行效果怎样呢？

余额不足
账户余额：0  

余额不足
账户余额：100  

1441792010959存进：100
账户余额：100  

1441792011960取出：100
账户余额：0  

1441792011961存进：100
账户余额：100

是不是又看不懂了，又乱了。这是为什么呢？就是因为volatile不能保证原子操作导致的，因此volatile不能代替synchronized。此外volatile会组织编译器对代码优化，因此能不使用它就不适用它吧。它的原理是每次要线程要访问volatile修饰的变量时都是从内存中读取，而不是存缓存当中读取，因此每个线程访问到的变量值都是一样的。这样就保证了同步。

（4）使用重入锁实现线程同步

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方法和快具有相同的基本行为和语义，并且扩展了其能力。
ReenreantLock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
Bank.java代码修改如下：

package threadTest;  

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

/**
 * @author ww
 *
 */
public class Bank {  

    private  int count = 0;// 账户余额  

    //需要声明这个锁
    private Lock lock = new ReentrantLock();  

    // 存钱
    public void addMoney(int money) {
        lock.lock();//上锁
        try{
        count += money;
        System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进：" + money);  

        }finally{
            lock.unlock();//解锁
        }
    }  

    // 取钱
    public void subMoney(int money) {
        lock.lock();
        try{  

        if (count - money < 0) {
            System.out.println("余额不足");
            return;
        }
        count -= money;
        System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money);
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }  

    // 查询
    public void lookMoney() {
        System.out.println("账户余额：" + count);
    }
}

运行效果怎么样呢？

余额不足
账户余额：0  

余额不足
账户余额：0  

1441792891934存进：100
账户余额：100  

1441792892935存进：100
账户余额：200  

1441792892954取出：100
账户余额：100

效果和前两种方法差不多。

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。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

（5）使用局部变量实现线程同步

Bank.java代码如下：

package threadTest;  

/**
 * @author ww
 *
 */
public class Bank {  

    private static ThreadLocal<Integer> count = new ThreadLocal<Integer>(){  

        @Override
        protected Integer initialValue() {
            // TODO Auto-generated method stub
            return 0;
        }  

    };  

    // 存钱
    public void addMoney(int money) {
        count.set(count.get()+money);
        System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进：" + money);  

    }  

    // 取钱
    public void subMoney(int money) {
        if (count.get() - money < 0) {
            System.out.println("余额不足");
            return;
        }
        count.set(count.get()- money);
        System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money);
    }  

    // 查询
    public void lookMoney() {
        System.out.println("账户余额：" + count.get());
    }
}

运行效果：

余额不足
账户余额：0  

余额不足
账户余额：0  

1441794247939存进：100
账户余额：100  

余额不足
1441794248940存进：100
账户余额：0  

账户余额：200  

余额不足
账户余额：0  

1441794249941存进：100
账户余额：300

看了运行效果，一开始一头雾水，怎么只让存，不让取啊？看看ThreadLocal的原理：

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。现在明白了吧，原来每个线程运行的都是一个副本，也就是说存钱和取钱是两个账户，知识名字相同而已。所以就会发生上面的效果。

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