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  • Java多线程】线程同步机制

    千次阅读 2018-06-08 18:11:41
    线程同步是为了确保线程安全,所谓线程安全指的是多个线程对同一资源进行访问时,有可能产生数据不一致问题,导致线程访问的资源并不是安全的。如果多线程程序运行结果和单线程运行的结果是一样的,且相关变量的值与...

    线程同步是为了确保线程安全,所谓线程安全指的是多个线程对同一资源进行访问时,有可能产生数据不一致问题,导致线程访问的资源并不是安全的。如果多线程程序运行结果和单线程运行的结果是一样的,且相关变量的值与预期值一样,则是线程安全的。

    Java中与线程同步有关的关键字/类包括:

    volatile、synchronized、Lock、AtomicInteger等concurrent包下的原子类。。。等

    接下来讨论这几种同步方法。

    volatile

    volatile一般用在多个线程访问同一个变量时,对该变量进行唯一性约束,volatile保证了变量的可见性,不能保证原子性。

    用法(例):private volatile booleanflag = false

    保证变量的可见性:volatile本质是告诉JVM当前变量在线程寄存器(工作内存)中的值是不确定的,需要从主存中读取,每个线程对该变量的修改是可见的,当有线程修改该变量时,会立即同步到主存中,其他线程读取的是修改后的最新值。

    不能保证原子性:原子性指的是不会被线程调度机制打断的操作,在java中,对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作。自增/自减操作不是原子性操作。例如:i++,其实是分成三步来操作的:1)从主存中读取i的值;2)执行+1操作;3)回写i的值。volatile关键字并不能保证原子性操作。非原子操作都会产生线程安全的问题,那么如何实现自增/自减的原子性呢?后续将有讲解。

    synchronized

    synchronized提供了一种独占的加锁方式,是比较常用的线程同步的关键字,一般在“线程安全的单例”中普遍使用。该关键字能够保证代码块的同步性和方法层面的同步。

    用法(例):1)代码块同步

    //使用synchronized关键字实现线程安全的单例模式
        private static Singleton instance;
        public static Singleton getInstance(){
            if(instance == null){
                synchronized (Singleton.class)
                {
                    if(instance == null){
                        instance = new Singleton();
                    }              
                }
            }
            return instance;
    }
    privateSingleton(){ }

    2)方法同步

    public static synchronized Singleton getInstance2(){
            if(instance == null){
                instance = new Singleton();
            }
            return instance;
        }
    private Singleton(){ }

    很多人说synchronized在性能上存在较大问题,但并没有真实环境产生的数据比较说明,因此在这里不好讨论性能问题。

    volatile和synchronized的区别

    1)      volatile通过变量的可见性,指定线程必须从主存中读取变量的最新值;synchronized通过阻塞线程的方式,只有当前线程能访问该变量,锁定了当前变量。

    2)      volatile使用在变量级别;synchronized可以使用在变量、方法、类级别

    3)      volatile不会造成线程阻塞;synchronized可能会造成线程阻塞

    4)      volatile不能保证原子性;synchronized能保证原子性

    5)      volatile标记的变量不会被编译器优化;synchronized标记的变量有可能会被编译器优化(指令重排)。

    如何保证自增/自减的原子性

    1)      使用java.util.concurrent包下提供的原子类,如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。

    用法:   

    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
    atomicInteger.getAndIncrement();//实现原子自增
    atomicInteger.getAndDecrement();//实现原子自减

    2)使用synchronized同步代码块

    Synchronized(this){
          value++;
    }

    3)使用Lock显示锁同步代码块

     private Lock lock = new ReentrantLock();
        private final int incrementAndGet(){
            lock.lock();
            try
            {
                return value++;
            }
            finally
            {
                // TODO: handle finally clause
                lock.unlock();
            }
        }



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  • java线程三种方式区别 1)实现Runnable接口  定义线程类,实现Runnable接口,重写其public void run(),将此类的对象当做Thread类的构造函数中的参数  所有子线程公用一套run中代码 2)继承Thread...

    java多线程三种方式区别



    1)实现Runnable接口

            定义线程类,实现Runnable接口,重写其public void run(),将此类的对象当做Thread类的构造函数中的参数

           所有子线程公用一套run中代码

    2)继承Thread类

            所有子线程各有一套自己的run代码

    3)使用ExecutorService,Callable,Future实现有返回结果的多线程


    java多线程


    1)进程是资源分配的最小单位,线程是处理机调度执行的最小单位;不同的进程有各自的逻辑地址,能共享物理地址,而同一进程的线程之间可以

            共享部分逻辑地址,即:能共享堆内存,每个线程有自己的线程栈,寄存器,私有数据。

    2)多线程的实现方式有:继承Runnable接口、继承Thread类、使用ExecutorService、Callable、Future实现有返回结果的多线程。

    3)多线程时要处理线程同步问题,使用加锁的方式同时又要避免死锁的产生。


    线程同步方式


    互斥锁、读写锁、条件变量、信号量和令牌


    线程同步加锁的方法


    1)synchronized:修饰方法或修饰代码块


    2)lock对象锁:lock()方法会对Lock实例对象进行加锁,因此所有对该对象调用lock()方法的线程都会被阻塞,直到该Lock对象的unlock()方法被调用。


    wait与sleep区别


    1)wait是Object类的方法,sleep是Thread类的方法

    2)wait时必须有锁且放开,sleep时不一定有锁,有的话不放开

    3)wait要靠别人叫醒或打断,sleep自己醒或被打断





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  • 我们开发项目时要经常和数据库打交道,用户的每一操作基本上都和...为了保证数据的安全性,所以要保证同一时刻只能允许一用户对数据库的同一字段进行操作。要实现上述的描述,以下两种方法可以很好的解决该问题。

            我们开发项目时要经常和数据库打交道,用户的每一个操作基本上都和数据库息息相关。在涉及到共享资源

    时,不同的线程对数据库的访问会造成数据的混乱。为了保证数据的安全性,所以要保证同一时刻只能允许一个用户

    对数据库的同一个字段进行操作。要实现上述的描述,以下两种方法可以很好的解决该问题。

     


    1.java synchronized关键字

     

    概念


            Java语言的关键字,可用来给对象和方法或者代码块加锁,当它锁定一个方法或者一个代码块的时候,同一时

    刻最多只有一个线程执行这段代码。当两个并发线程访问同一个对象object中的这个加锁同步代码块时,一个时间内

    只能有一个线程得到执行。另一个线程必须等待当前线程执行完这个代码块以后才能执行该代码块。然而,当一个线

    程访问object的一个加锁代码块时,另一个线程仍然可以访问该object中的非加锁代码块。

     

    分类

     

            (1)synchronized 方法:方法声明时使用,放在范围操作符(public等)之后,返回类型声明(void等)之前.这时,线

    程获得的是成员锁,即一次只能有一个线程进入该方法,其他线程要想在此时调用该方法,只能排队等候,当前线程(就是

    在synchronized方法内部的线程)执行完该方法后,别的线程才能进入.


            synchronized关键字可以作为函数的修饰符,也可作为函数内的语句,也就是平时说的同步方法和同步语句

    块。如果再细的分类,synchronized可作用于instance变量、object reference(对象引用)、static函数和class

    literals(类名称字面常量)身上。

    	//格式:
    	public synchronized void synMethod(){
    	//方法体
    	}
    


     

    	//实例
    	//当两个并发线程访问同一个对象object中的这个synchronized(this)同步代码块时,一个时间内只能有一个线程得到执行。另一个线程必须等待当前线程执行完这个代码块以后才能执行该代码块。
    	package ths;
    	public class Thread1 implements Runnable {  
    	     public void run() {  
    	          synchronized(this) {  
    	               for (int i = 0; i < 5; i++) {  
    	                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " synchronized loop " + i);  
    	               }  
    	          }  
    	     }  
    	     public static void main(String[] args) {  
    	          Thread1 t1 = new Thread1();  
    	          Thread ta = new Thread(t1, "A");  
    	          Thread tb = new Thread(t1, "B");  
    	          ta.start();  
    	          tb.start();  
    	     } 
    	}
    	结果:  
    	     A synchronized loop 0  
    	     A synchronized loop 1  
    	     A synchronized loop 2  
    	     A synchronized loop 3  
    	     A synchronized loop 4  
    	     B synchronized loop 0  
    	     B synchronized loop 1  
    	     B synchronized loop 2  
    	     B synchronized loop 3  
    	     B synchronized loop 4
    


           (2)synchronized代码块,后跟括号,括号里是变量,这样,一次只有一个线程进入该代码块.此时,线程获得的是

    成员锁。

    	//例如:
    	public Object synMethod(Object a1){
    	synchronized(a1){
    	//一次只能有一个线程进入
    	}
    	}
    


     

    	//实例:
    	package ths;
    	public class Thread2 {  
    	     public void m4t1() {  
    	          synchronized(this) {  
    	               int i = 5;  
    	               while( i-- > 0) {  
    	                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);  
    	                    try {  
    	                         Thread.sleep(500);  
    	                    } catch (InterruptedException ie) {  
    	                    }  
    	               }  
    	          }  
    	     }  
    	         public static void main(String[] args) {  
    	          final Thread2 myt2 = new Thread2();  
    	          Thread t1 = new Thread(  new Runnable() {  public void run() {  myt2.m4t1();  }  }, "t1"  );  
    	          Thread t2 = new Thread(  new Runnable() {  public void run() { myt2.m4t1();   }  }, "t2"  );  
    	          t1.start();  
    	          t2.start();  
    	     } 
    	}
    	结果:  
    	     t1 : 4  
    	     t1 : 3  
    	     t1 : 2  
    	     t1 : 1      
    	     t2 : 4  
    	     t2 : 3  
    	     t2 : 2  
    	     t2 : 1  
    


     

    特点

     

            1).当两个并发线程访问同一个对象object中的这个synchronized(this)同步代码块时,一个时间内只能有一个线

    程得到执行。另一个线程必须等待当前线程执行完这个代码块以后才能执行该代码块。
            2).然而,当一个线程访问object的一个synchronized(this)同步代码块时,另一个线程仍然可以访问该object中

    的非synchronized(this)同步代码块。
            3).尤其关键的是,当一个线程访问object的一个synchronized(this)同步代码块时,其他线程对object中所有其

    它synchronized(this)同步代码块的访问将被阻塞。
            4).第三个例子同样适用其它同步代码块。也就是说,当一个线程访问object的一个synchronized(this)同步代码

    块时,它就获得了这个object的对象锁。结果,其它线程对该object对象所有同步代码部分的访问都被暂时阻塞。


    执行原则

     

            同步块中的代码执行的时间越短越好。

     

    2.数据库机制


            悲观锁(Pessimistic Lock)

            顾名思义,就是很悲观,每次去拿数据的时候都认为别人会修改,所以每次在拿数据的时候都会上锁,这样别

    人想拿这个数据就会block直到它拿到锁。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制,比如行锁,表锁等,

    读锁,写锁等,都是在做操作之前先上锁。


     

     

    使用方法

     

    //锁在用户修改之前就发挥作用: 
    
    Select ..for update(nowait) 
    Select * from tab1 for update 
    


                用户发出这条命令之后,数据库(不是局限于orecal中的数据库)将会对返回集中的数据建立行级封锁,以防止

    其他用户的修改。 如果此时其他用户对上面返回结果集的数据进行dml或ddl操作都会返回一个错误信息或发生阻

    塞。

            乐观的认为数据在select出来到update进取并提交的这段时间数据不会被更改。这里面有一种潜在的危险就是

    由于被选出的结果集并没有被锁定,是存在一种可能被其他用户更改的可能。因此Oracle仍然建议是用悲观封锁,因

    为这样会更安全。

           

            以上是个人目前的一些理解,如果大家有不同的理解我们可以加以交流。


     

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  • 线程安全在Java中是一个很重要的课题。Java提供的多线程环境支持使用Java线程。我们都知道多线程共享一些对象实例的话...这类操作会有三个步骤: 读取当前的值 做一些必要的操作来获取更新的值 讲更新的值写会变量之中

    线程安全在Java中是一个很重要的课题。Java提供的多线程环境支持使用Java线程。我们都知道多线程共享一些对象实例的话,可能会在读取和更新共享数据的事后产生数据不一致问题。

    线程安全

    之所以会产生数据的不一致问题,是因为更新实例变量等类似的行为并非是原子操作。这类操作会有三个步骤:

    • 读取当前的值
    • 做一些必要的操作来获取更新的值
    • 将更新的值写会变量之中

    我们来看如下程序中多线程如何更新和共享数据:

    package com.sapphire.threads;
    
    public class ThreadSafety {
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
            ProcessingThread pt = new ProcessingThread();
            Thread t1 = new Thread(pt, "t1");
            t1.start();
            Thread t2 = new Thread(pt, "t2");
            t2.start();
            //wait for threads to finish processing
            t1.join();
            t2.join();
            System.out.println("Processing count="+pt.getCount());
        }
    }
    
    class ProcessingThread implements Runnable{
        private int count;
    
        @Override
        public void run() {
            for(int i=1; i < 5; i++){
                processSomething(i);
                count++;
            }
        }
    
        public int getCount() {
            return this.count;
        }
    
        private void processSomething(int i) {
            // processing some job
            try {
                Thread.sleep(i*1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    在上面的程序中的的for循环里面,count的值每次是自增为1的,执行了四次,因为我们有两个线程,count的值在两个线程执行完毕以后应该是8,但是当你运行上面的程序多次的话,你会发现count的值总是在6,7,8这几个数字之间。这是因为尽管count++操作看起来是一个原子操作,但是实际上它并不是,所以导致了数据的冲突。

    Java中的线程安全

    线程安全就是指通过对一些处理令我们的程序能够安全的使用多线程的编程模型。以下有一些不同的方式来令我们的程序保证线程安全。

    • 线程同步是最简单和常用的方法来确保线程安全
    • 通过使用java.util.concurrent.atomic包中的原子类,可以确保操作的原子性
    • 通过使用java.util.concurrent.locks包中的锁可以确保线程安全
    • 使用线程安全的并发集合,比如ConcurrentHashMap来确保线程安全
    • 通过volatile关键字来确保每次的变量使用都从内存中访问数据,而非访问线程缓存

    Java 同步

    同步是我们来获得线程安全的常用方法。JVM会保证同步的代码只会在同一时间仅仅由一个线程来执行。Java的关键字synchronized就是用来创建同步代码的,在内部的执行的时候,synchronized关键字会锁定对象或者类来确保只有一个线程来进入同步的代码块。

    • Java的同步是通过锁定/解锁资源来实现的。在任何线程进入同步代码之前,线程必须请求对象的锁,而在代码执行结束的时候,线程再释放掉该锁,这样其他线程可以再次获取到这个锁。在某个线程执行同步代码的时候,其他的线程只能处于等待状态来等待被锁定的资源。
    • synchronized关键字有两种用法,其一是在方法级别上声明,另一种是创建同步代码块。
    • 当方法被同步的时候,JVM锁定的是对象,如果方法是静态的,那么就会锁定这个。所以,通常最佳的实践是使用同步代码块来锁定需要同步的代码。
    • 当创建同步代码块时,我们需要提供锁定的资源,可以是类本身,也可以是类的成员变量。
    • synchronized(this)会在进入同步代码块之前锁定整个对象。
    • 开发者应该使用最低级别的锁。举例来说,如果类中存在多个需要同步的地方,如果一个方法的访问就锁定了整个对象,那么其他同步代码块就无法被访问了。当我们锁定对象的时候,线程请求的锁是针对对象所有的成员变量的。
    • Java的同步机制提供数据一致性的代价就是性能的损失,所以最好仅仅在最需要的时候使用。
    • Java的同步机制仅仅在同一个JVM中生效的,所以当开发者尝试锁定不同JVM中的多个资源的时候,Java的同步机制是不会有效的。
    • Java的同步机制可能会导致死锁的,需要注意防止产生死锁。
    • Java的synchronized关键字不能同用于变量和构造函数。
    • 在使用Java同步代码块的时候,最好通过创建一个额外的私有对象用来锁定,因为这个引用的对象并不会影响其他的代码。比如,如果开发者针对引用的对象包含一些set方法的调用的话,那么并行的执行可能会导致同步对象的改变。
    • 开发者不应该使用任何常量池中的对象,比如String对象就不应该用来作为同步锁,因为大量的代码可能依赖于相同的字符串,线程就会尝试去请求String pool中的对象锁,这样就会令不同的毫不相关的代码锁定相同的资源。

    Java中不少的库也是通过synchronized来实现简单的同步,比如与ArrayList相对应的Vector,和HashMap相对应的HashTable甚至是常用的StringBufferStringBuilder,如果开发者查看过对应的源码,就会发现那些线程安全的类只是在方法上加上了synchronized关键字而已。

    下面是一些我们保证线程安全的做法:

    //dummy object variable for synchronization
    private Object mutex=new Object();
    ...
    //using synchronized block to read, increment and update count value synchronously
    synchronized (mutex) {
        count++;
    }

    下面是一些代码帮助我们了解同步的机制:

    public class MyObject {
    
      // Locks on the object's monitor
      public synchronized void doSomething() { 
        // ...
      }
    }
    
    // Hackers code
    MyObject myObject = new MyObject();
    synchronized (myObject) {
      while (true) {
        // Indefinitely delay myObject
        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE); 
      }
    }

    可以看出Hacker的代码是试着锁定myObject的实例,而一旦获得了对应的对象锁,就永远不会释放对象锁,导致doSomething()方法会永远阻塞,一直等待对象锁的释放。这就会导致系统死锁,导致服务拒绝(Denial of Service)。

    再参考如下代码:

    public class MyObject {
      public Object lock = new Object();
    
      public void doSomething() {
        synchronized (lock) {
          // ...
        }
      }
    }
    
    //untrusted code
    
    MyObject myObject = new MyObject();
    //change the lock Object reference
    myObject.lock = new Object();

    需要注意的是锁定的对象是一个共有的变量,一旦我们改变原对象所引用的对象,我们就可以任意的并行执行同步代码块中的内容了。如果开发者为私有的锁对象提供setter方法的话,也会导致一样的问题。

    再参考如下代码:

    public class MyObject {
      //locks on the class object's monitor
      public static synchronized void doSomething() { 
        // ...
      }
    }
    
    // hackers code
    synchronized (MyObject.class) {
      while (true) {
        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE); // Indefinitely delay MyObject
      }
    }

    这段代码与第一段代码很类似,前文已经提到了,静态的static方法会锁定类,所以一旦hacker代码的获得了MyObject的类锁,那么就会形成死锁。

    下面是另一个例子:

    package com.sapphire.threads;
    
    import java.util.Arrays;
    
    public class SyncronizedMethod {
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            String[] arr = {"1","2","3","4","5","6"};
            HashMapProcessor hmp = new HashMapProcessor(arr);
            Thread t1=new Thread(hmp, "t1");
            Thread t2=new Thread(hmp, "t2");
            Thread t3=new Thread(hmp, "t3");
            long start = System.currentTimeMillis();
            //start all the threads
            t1.start();t2.start();t3.start();
            //wait for threads to finish
            t1.join();t2.join();t3.join();
            System.out.println("Time taken= "+(System.currentTimeMillis()-start));
            //check the shared variable value now
            System.out.println(Arrays.asList(hmp.getMap()));
        }
    
    }
    
    class HashMapProcessor implements Runnable{
    
        private String[] strArr = null;
    
        public HashMapProcessor(String[] m){
            this.strArr=m;
        }
    
        public String[] getMap() {
            return strArr;
        }
    
        @Override
        public void run() {
            processArr(Thread.currentThread().getName());
        }
    
        private void processArr(String name) {
            for(int i=0; i < strArr.length; i++){
                //process data and append thread name
                processSomething(i);
                addThreadName(i, name);
            }
        }
    
        private void addThreadName(int i, String name) {
            strArr[i] = strArr[i] +":"+name;
        }
    
        private void processSomething(int index) {
            // processing some job
            try {
                Thread.sleep(index*1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
    }

    代码的执行结果如下:

    Time taken= 15005
    [1:t2:t3, 2:t1, 3:t3, 4:t1:t3, 5:t2:t1, 6:t3]

    可以看出,String的数组出现了不一致问题,因为共享数据以及缺少同步。下面的代码可以改变addThreadName(...)方法来令程序运行正确:

    private Object lock = new Object();
    private void addThreadName(int i, String name) {
        synchronized(lock){
        strArr[i] = strArr[i] +":"+name;
        }
    }

    在我们修改了上面的代码以后,程序的输出结果如下:

    Time taken= 15004
    [1:t1:t2:t3, 2:t2:t1:t3, 3:t2:t3:t1, 4:t3:t2:t1, 5:t2:t1:t3, 6:t2:t1:t3]
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