java 線程同步

概要：

為了加快代碼的運(yùn)行速度，我們采用了多線程的方法。并行的執(zhí)行確實(shí)讓代碼變得更加高效，但隨之而來(lái)的問(wèn)題是，有很多個(gè)線程在程序中同時(shí)運(yùn)行，如果它們同時(shí)的去修改一個(gè)對(duì)象，很可能會(huì)造成訛誤的情況，這個(gè)時(shí)候我們需要用一種同步的機(jī)制來(lái)管理這些線程。

（一）競(jìng)爭(zhēng)條件

記得操作系統(tǒng)中，讓我印象很深的有一張圖。上面畫(huà)的是一塊塊進(jìn)程，在這些進(jìn)程里面分了幾個(gè)線程，所有這些線程齊刷刷統(tǒng)一的指向進(jìn)程的資源。Java中也是如此，資源會(huì)在線程間共享而不是每個(gè)線程都有一份獨(dú)立的資源。在這種共享的情況下，很有可能有多個(gè)線程同時(shí)在訪問(wèn)一個(gè)資源，這種現(xiàn)象我們叫做競(jìng)爭(zhēng)條件。

在一個(gè)銀行系統(tǒng)中，每個(gè)線程分別管理一個(gè)賬戶(hù)，這些線程可能會(huì)進(jìn)行轉(zhuǎn)賬的操作。
在一個(gè)線程進(jìn)行操作的時(shí)候，他首先，會(huì)把賬戶(hù)余額存放到寄存器中，第二步，它將寄存器中的數(shù)字減少要轉(zhuǎn)出的錢(qián)數(shù)，第三步，它將結(jié)果寫(xiě)回余額中。
問(wèn)題在于，這個(gè)線程在執(zhí)行完1、2步時(shí)，另外一個(gè)線程被喚醒并且修改了第一個(gè)線程的賬戶(hù)余額值，但是這個(gè)時(shí)候第一個(gè)線程并不知情。第一個(gè)線程等待第二個(gè)線程執(zhí)行完畢后，繼續(xù)他的第三步：將結(jié)果寫(xiě)回余額中。這個(gè)時(shí)候，它把第二個(gè)線程的操作刷掉了，所以整個(gè)的系統(tǒng)的總錢(qián)數(shù)肯定會(huì)發(fā)成錯(cuò)誤。
這就是java競(jìng)爭(zhēng)條件發(fā)生的不良情況。

（二）ReentrantLock類(lèi)

上面的例子告訴我們，如果我們的操作不是原子操作，被打斷是肯定會(huì)發(fā)生的，即使有的時(shí)候概率真的非常小，但是也并不能排除這種情況。我們不能把我們的代碼變成像操作系統(tǒng)中的原子操作，我們能做的是為我們的代碼上鎖來(lái)保證安全性。在并發(fā)程序中，如果我們想要訪問(wèn)數(shù)據(jù)，在這之前我們先給我們的代碼套一個(gè)鎖，在我們使用鎖的期間，我們的代碼中涉及的資源就像是被”鎖上了“一樣，不能被其他的線程訪問(wèn)，知道我們打開(kāi)這個(gè)鎖。

在java中，synchronized關(guān)鍵字和ReentrantLock類(lèi)都有這種鎖的功能。我們?cè)谶@里首先一起來(lái)討論一下ReentrantLcok的功能。

1.ReentrantLock構(gòu)造器

在這個(gè)類(lèi)中，提供了兩個(gè)構(gòu)造器，一個(gè)是默認(rèn)構(gòu)造器，沒(méi)什么好說(shuō)的，一個(gè)是帶有公平策略的構(gòu)造器。這個(gè)公平策略首先他比正常的鎖要慢很多，其次在有的情況下他并不是真正公平的。而且如果我們沒(méi)有特殊的理由真的需要公平策略的時(shí)候，盡量不要去研究這個(gè)策略。

2.獲取與釋放

ReentrantLock myLock = new ReentrantLock();
//創(chuàng)建對(duì)象
myLock.lock();
//獲取鎖
try{
...
}
finally{
myLock.unlock();
//釋放鎖
}

一定要記得在finally中釋放鎖??！我們之前說(shuō)過(guò)，未檢查的錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致線程的終止。莫名其妙的終止會(huì)讓程序停止向下運(yùn)行，如果不把釋放放在finally中，這個(gè)鎖將一直得不到釋放。這種道理和我們?cè)谄綍r(shí)框架中用包后.close()是一個(gè)道理。說(shuō)到close，值得一提的，當(dāng)我們使用鎖的時(shí)候，我們不能使用“帶有資源的try語(yǔ)句”，因?yàn)檫@個(gè)鎖并不是用close來(lái)關(guān)閉的。如果你不知道帶有資源的try語(yǔ)句是什么，那就當(dāng)我沒(méi)說(shuō)這句話(huà)吧。

3.鎖具有可重入性

如果你要在遞歸或者循環(huán)程序中使用鎖，那么就放心的用吧。ReentrantLock鎖具有可重入性，他會(huì)在每次調(diào)用lock（）的時(shí)候維護(hù)一個(gè)計(jì)數(shù)記錄著被調(diào)用的次數(shù)，在每一次的lock調(diào)用都必須要用unlock來(lái)釋放。

（三）條件對(duì)象

通常，線程在上了鎖進(jìn)入臨界區(qū)之后發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題，他們所需要的資源，在別的對(duì)象中被使用或者并不滿(mǎn)足他們能執(zhí)行的條件，這個(gè)時(shí)候我們需要用一個(gè)條件對(duì)象來(lái)管理這些得到了一個(gè)鎖，但是不能做有用工作的線程。

if(a>b){
  a.set(b-1);
}

1.”自己困住了自己“

上面是一個(gè)很簡(jiǎn)單的條件判斷，但是我們?cè)诓l(fā)程序中不能這樣寫(xiě)。存在的問(wèn)題是，如果在這個(gè)線程剛剛做完判斷之后，另外一個(gè)線程被喚醒，并且另外一個(gè)線程在操作之后使得a小于b（if語(yǔ)句中的條件已經(jīng)不再正確）。

那么這個(gè)時(shí)候我們可能想到，我們把整個(gè)if語(yǔ)句直接放在鎖里面，確保自己的代碼不會(huì)被打斷。但是這樣又存在一個(gè)問(wèn)題，如果if判斷是false，那么if中的語(yǔ)句不會(huì)被執(zhí)行。但是如果我們需要去執(zhí)行if中的語(yǔ)句，甚至我們要一直等待if判斷變的正確之后去執(zhí)行if中的語(yǔ)句，這時(shí)，我們突然發(fā)現(xiàn)，if語(yǔ)句再也不會(huì)變得正確了，因?yàn)槲覀兊逆i把這個(gè)線程鎖死，其他的線程沒(méi)辦法訪問(wèn)臨界區(qū)并修改a和b的值讓if判斷變得正確，這真的是非常尷尬，我們自己的鎖把我們自己困住了，我們出不去，別人進(jìn)不來(lái)。

2.Condition類(lèi)

為了解決這種情況，我們用ReentrantLock類(lèi)中的newCondition方法來(lái)獲取一個(gè)條件對(duì)象。

Condition cd = myLock.newCondition();

獲取了Condition對(duì)象之后，我們就應(yīng)該來(lái)研究這個(gè)對(duì)象有什么方法和作用了。先不急于看API，我們回到主題發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在亟待解決的就是if條件判斷的問(wèn)題，我們?nèi)绾尾拍埽?strong>在已經(jīng)上鎖的情況下，發(fā)現(xiàn)if判斷錯(cuò)誤時(shí)，給其他線程機(jī)會(huì)并自己一直等著if判斷變回正確。

Condition類(lèi)就是為了解決這個(gè)難題而生的，有了Condition類(lèi)之后，我們?cè)趇f語(yǔ)句下面直接跟上await方法，這個(gè)方法表示這個(gè)線程被阻塞，并放棄了鎖，等其他的線程來(lái)操作。

注意在這里我們用的名詞是阻塞，我們之前也說(shuō)過(guò)阻塞和等待有很大不同：等待獲得鎖時(shí)，一旦鎖有了空閑，他可以自動(dòng)的去獲得鎖，而阻塞獲得鎖時(shí)，即使有空閑的鎖，也要等待線程調(diào)度器允許他去持有鎖的時(shí)候才能獲得鎖。

其他的線程在順利執(zhí)行if語(yǔ)句內(nèi)容之后，要去調(diào)用signalAll方法，這個(gè)方法將會(huì)重新去激活所有的因?yàn)檫@個(gè)條件被阻塞的線程，讓這些線程重新獲得機(jī)會(huì)，這些線程被允許從被阻塞的地方繼續(xù)進(jìn)行。此時(shí)，線程應(yīng)該再次測(cè)試該條件，如果還是不能滿(mǎn)足條件，需要再次重復(fù)上述操作。

ReentrantLock myLock = new ReentrantLock();
//創(chuàng)建鎖對(duì)象
myLock.lock();
//給下面的臨界區(qū)上鎖

Condition cd = myLock.newCondition();
//創(chuàng)建一個(gè)Condition對(duì)象，這個(gè)cd對(duì)象表示條件對(duì)象

while(!(a>b))
  cd.await();
//上面的while循環(huán)和await方法調(diào)用是標(biāo)準(zhǔn)寫(xiě)法
//如果不能滿(mǎn)足if的條件，那么他將進(jìn)入阻塞狀態(tài)，放棄鎖，等待別人去激活它

a.set(b-1);
//一直等到從while循環(huán)出來(lái)，滿(mǎn)足了判斷的條件，我們執(zhí)行自己的功能

cd.signalAll();
//最后一定不能忘記調(diào)用signalAll方法去激活其他的被阻塞的線程
//如果所有的線程都在等待其他線程signalAll，則進(jìn)入死鎖

非常不妙的，如果所有的線程都在等待其他線程signalAll，則進(jìn)入死鎖的狀態(tài)。死鎖狀態(tài)是指所有的線程需要的資源都被其他的線程形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致誰(shuí)都不能執(zhí)行的情況。最后調(diào)用signalAll方法激活其他因?yàn)閏d而阻塞的“兄弟”是必須的，方便你我他，減少死鎖的發(fā)生。

3.Condition對(duì)象和鎖總結(jié)

總結(jié)來(lái)說(shuō)，Condition對(duì)象和鎖有這樣幾個(gè)特點(diǎn)。

1. 鎖可以用來(lái)保護(hù)代碼片段，任何時(shí)刻只能有一個(gè)線程進(jìn)入被保護(hù)的區(qū)域
2. 鎖可以管理試圖進(jìn)入臨界區(qū)的線程
3. 鎖可以擁有一個(gè)或多個(gè)條件對(duì)象
4. 每個(gè)條件對(duì)象管理那些因?yàn)榍懊嫠枋龅脑蚨荒鼙粓?zhí)行但已經(jīng)進(jìn)入被保護(hù)代碼段的線程
   

（四）synchronized關(guān)鍵字

我們上面介紹的ReentrantLock和Condition對(duì)象是一種用來(lái)保護(hù)代碼片段的方法，在java中還有另外一種機(jī)制：通過(guò)使用關(guān)鍵字synchronized來(lái)修飾方法，從而給方法添加一個(gè)內(nèi)部鎖。從版本開(kāi)始，java的每一個(gè)對(duì)象都有一個(gè)內(nèi)部鎖，每個(gè)內(nèi)部鎖會(huì)保護(hù)那些被synchronized修飾的方法。也就是說(shuō)，如果想調(diào)用這個(gè)方法，首先要獲得內(nèi)部的對(duì)象鎖。

1.synchronized與ReentrantLock比較

我們先拿出上面的代碼：

public void function(){
  ReentrantLock myLock = new ReentrantLock();
  myLock.lock();

  Condition cd = myLock.newCondition();

  while(!(a>b))
    cd.await();

  a.set(b-1);

  cd.signalAll();
}

如果我們用synchronized來(lái)實(shí)現(xiàn)這段代碼，將會(huì)變成下面的樣子：

public synchronized void function(){
  while(!(a>b))
    wait();

  a.set(b-1);

  notifyAll();
}

需要我們注意的是，在使用synchronized關(guān)鍵詞時(shí)，無(wú)需再去用ReentrantLock和Condition對(duì)象，我們用wait方法替換了await方法，notifyAll方法替換了signalAll方法。這樣寫(xiě)確實(shí)比之前的簡(jiǎn)單了很多。

2.靜態(tài)方法的synchronized

將靜態(tài)方法聲明為synchronized也是合法的。如果調(diào)用這種方法，將會(huì)獲取相關(guān)的類(lèi)對(duì)象的內(nèi)部鎖。比如我們調(diào)用Test類(lèi)中的靜態(tài)方法，這時(shí)，Test.class對(duì)象的鎖將被鎖住。

3.內(nèi)部鎖和條件的局限性

內(nèi)部鎖雖然簡(jiǎn)便，但是他存在著很多限制：

1. 不能中斷一個(gè)正在試圖獲得鎖的線程
2. 試圖獲得鎖時(shí)不能設(shè)定超時(shí)
3. 因?yàn)椴荒芡ㄟ^(guò)Condition來(lái)實(shí)例化條件。每個(gè)鎖僅有單一的條件，可能是不夠的
   

在代碼中應(yīng)該使用這兩種鎖中的哪一種呢？Lock和Condition對(duì)象還是同步方法？在core java一書(shū)中有一些建議：

1. 最好既不使用ReentrantLock也不使用synchronized關(guān)鍵詞。在許多情況下你可以使用java.util.concurrent包
2. 如果synchronized符合你的代碼需要，請(qǐng)優(yōu)先使用它
3. 直到如果特別需要ReentrantLcok，再去使用它

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