Java 多線程的同步代碼塊詳解

更新時間：2021年10月28日 15:41:43 作者：一紙春秋

這篇文章主要介紹了Java 多線程的同步代碼塊,使用synchronized關(guān)鍵字創(chuàng)建線程同步方法是實現(xiàn)線程同步的關(guān)鍵,需要的朋友可以參考下

火車站搶票問題

由于現(xiàn)實中買票也不會是零延遲的，為了真實性加入了延遲機(jī)制，也就是線程休眠語句

package test.MyThread.ticketDemo;
public class RunnableThread implements Runnable{
    private int ticket = 100;
    @Override
    public void run(){
        while(true){
            if(ticket>0){
                try {
                    Thread.sleep(100);  //語句一
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在出售第 "+ticket+" 張票");  //語句二
                ticket--;  //語句三
            }
        }
    }
}

package test.MyThread.ticketDemo;
public class ticketDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        RunnableThread r1 = new RunnableThread();
        Thread t1 = new Thread(r1,"窗口一");
        Thread t2 = new Thread(r1,"窗口二");
        Thread t3 = new Thread(r1,"窗口三");
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

在這里插入圖片描述

但是結(jié)果和我們想象中的不一樣，三個窗口賣出了同樣的票

這是因為，CPU的操作具有原子性，單獨執(zhí)行一條指令或者說語句，在執(zhí)行完畢前不會被中斷。

三個線程被啟動后，都會處于就緒狀態(tài)，然后開始搶奪CPU執(zhí)行語句。

1.語句一：Thread.sleep(100);

2.語句二： System.out.println(Thread.currentThread().getName()+“正在出售第 “+ticket+” 張票”);

3.語句三： ticket–;

我將程序中需要執(zhí)行的三條主要語句列了出來

三條線程中，加入線程一先搶到了CPU，這時就會開始執(zhí)行語句，也就是至少會完成一條語句一，然后進(jìn)入休眠。

注：如果語句一不是休眠語句，而是別的語句，那么線程一就可以繼續(xù)往下執(zhí)行，因為原子性，正在執(zhí)行的語句不會被打斷，所以只會在一條語句結(jié)束，下一條語句未開始時，被搶走CPU或者中斷，導(dǎo)致線程退出運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)為就緒或者阻塞狀態(tài)。所以線程一可以一次性完成多條語句，也有可能剛完成一條語句就被搶走了CPU。

接著，線程二，線程三也搶到了CPU，也開始執(zhí)行語句一，然后也進(jìn)入休眠狀態(tài)。之后線程一二三從休眠中醒來，開始爭搶CPU完成語句二，但是三者都在完成語句三之前被搶走了CPU，導(dǎo)致一直沒有執(zhí)行ticket–語句，ticket也就沒有減少，因此三條線程一共打印三條輸出語句，里面的ticket都是相同。

然后三條線程又開始爭搶CPU來完成語句三，一個線程讓ticket減一，三個線程減少三張票。完成語句三后，又開始新的循環(huán)，三個線程開始爭搶CPU完成語句一。

因此，看到的結(jié)果會是，三條語句的ticket都相同，然后ticket突然減三，接著又輸出三條ticket相同的輸出語句。

那么，該如何解決這種情況呢？

這種延遲賣票的問題被稱為線程安全問題，要發(fā)生線程安全問題需要滿足三個條件（任何一共條件不滿足都不會造成線程安全問題）：

1.是否存在多線程環(huán)境

2.是否存在共享數(shù)據(jù)/共享變量

3.是否有多條語句操作著共享數(shù)據(jù)/共享變量

火車站延遲賣票問題滿足這三個條件，因此造成了線程安全問題，而前兩條都不可避免，那么就可以著手于破壞掉第三個條件，讓線程安全問題不成立。

思路是將多條語句包裝成一個同步代碼塊，當(dāng)某個線程執(zhí)行這個同步代碼塊的時候，就跟原子性一樣，其他的線程不能搶占CPU，只能等這個同步代碼塊執(zhí)行完畢。

解決辦法：

1.synchronized —— 自動鎖

2.lock —— 手動鎖

synchronized

synchronized(對象){  
	//可能會發(fā)生線程安全問題的代碼
}
//這里的對象可以是任意對象，我們可以用 Object obj =  new Object()里面的obj放入括號中

使用synchronized的條件：

1.必須有兩個或兩個以上的線程同一時間只有一個線程能夠執(zhí)行同步代碼塊多個線程想要同步時，必須共用同一把鎖
synchronized(對象)括號里面的對象就是一把鎖

使用synchronized的過程：

1.只有搶到鎖的線程才可以執(zhí)行同步代碼塊，其余的線程即使搶到了CPU執(zhí)行權(quán)，也只能等待，等待鎖的釋放。

2.代碼執(zhí)行完畢或者程序拋出異常都會釋放鎖，然后還未執(zhí)行同步代碼塊的線程爭搶鎖，誰搶到誰就能運行同步代碼塊。

同步代碼塊

因此，修改后的代碼為：

package test.MyThread.ticketDemo;
public class RunnableThread implements Runnable{
    private int ticket = 100;
    Object obj = new Object();
    @Override
    public void run(){
        while(true){
            synchronized (obj) {
                if (ticket > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第 " + ticket + " 張票");
                    ticket--;
                }
            }
        }
    }
}

package test.MyThread.ticketDemo;
public class ticketDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
    //這里沒有改動，只是在上一個代碼中加了一把鎖
        RunnableThread r1 = new RunnableThread();
        Thread t1 = new Thread(r1,"窗口一");
        Thread t2 = new Thread(r1,"窗口二");
        Thread t3 = new Thread(r1,"窗口三");
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

在這里插入圖片描述

可以看出來結(jié)果符合我們的預(yù)期，是正確的

現(xiàn)在又有了新的問題，那就是如果我在構(gòu)造線程的RunnableThread類里面加入方法呢？同步代碼塊里面出現(xiàn)方法時，我們應(yīng)該怎么“上鎖”呢？

同步方法（this鎖）

同步方法，在public的后面加上synchronized關(guān)鍵字

package test.MyThread.ticketDemo;
public class RunnableThread1 implements Runnable{
    private int ticket = 100;
    Object obj = new Object();
    public boolean flag = true;
    @Override
    public void run(){
        if(flag==true){
            while(ticket>0){
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                SellTicket1();
            }
        }
    }
//同步方法，在public的后面加上synchronized關(guān)鍵字
    public synchronized void SellTicket1(){
        if(ticket>0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在出售第 "+ticket+" 張票");
            ticket--;
        }
    }
}

package test.MyThread.ticketDemo;
public class ticketDemo2 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        RunnableThread1 r = new RunnableThread1();
        Thread t1 = new Thread(r,"窗口一");
        Thread t2 = new Thread(r,"窗口二");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

this鎖

先來看看，如果有兩條路徑，一條路徑是使用同步代碼塊，但是對象是obj，另一條路徑是使用同步方法

package test.MyThread.ticketDemo;
public class TicketWindow2 implements Runnable{
    //定義100張票
    private static int tickets = 100;
    Object obj = new Object();
    int i =0;
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            if(i%2==0){
                synchronized (obj){
                    if(tickets>0){
                        try {
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在出售第 "+(tickets--)+" 張票");
                    }
                }
            }else {
                sellTicket();
            }
            i++;
        }
    }
    public synchronized void sellTicket(){
            if(tickets>0){
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在出售第 "+(tickets--)+" 張票");
            }
    }
}

在這里插入圖片描述

結(jié)果出錯，說明同步方法的用的對象鎖不能是任意的對象，不同的線程應(yīng)該用相同的鎖。同步方法是屬于對象，而在這個類里面調(diào)用方法的是this對象，也就是this.sellTicket()，因此把this提取出來作為對象鎖中的對象。這樣多個線程都用的是this鎖

package test.MyThread.ticketDemo;
public class TicketWindow2 implements Runnable{
    //定義100張票
    private static int tickets = 100;
    Object obj = new Object();
    int i =0;
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            if(i%2==0){
                synchronized (this){
                    if(tickets>0){
                        try {
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在出售第 "+(tickets--)+" 張票");
                    }
                }
            }else {
                sellTicket();
            }
            i++;
        }
    }
    public synchronized void sellTicket(){
            if(tickets>0){
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在出售第 "+(tickets--)+" 張票");
            }
    }
}

修改完成后再運行代碼，發(fā)現(xiàn)沒有錯誤

注：

1.一個線程使用同步方法，另一個線程使用同步代碼塊this鎖，可以實現(xiàn)同步

2.一個線程使用同步方法，另一個線程使用同步代碼塊，但是不是this鎖。這種情況不能實現(xiàn)同步。

靜態(tài)同步方法

同步方法的鎖對象是this，

靜態(tài)同步方法的鎖對象是：這個靜態(tài)同步方法所屬的類的字節(jié)碼文件

下面代碼挺長的，但其實就修改了上面同步方法的代碼的兩處地方

1.public synchronized void sellTicket(){}改為
public synchronized static void sellTicket(){}

2.synchronized (this){}改為synchronized (TicketWindow2.class){}

package test.MyThread.ticketDemo;
public class TicketWindow2 implements Runnable{
    //定義100張票
    private static int tickets = 100;
    Object obj = new Object();
    int i =0;
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            if(i%2==0){
                synchronized (TicketWindow2.class){
                    if(tickets>0){
                        try {
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在出售第 "+(tickets--)+" 張票");
                    }
                }
            }else {
                sellTicket();
            }
            i++;
        }
    }
    public synchronized static void sellTicket(){
        if(tickets>0){
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在出售第 "+(tickets--)+" 張票");
        }
    }
}

main()方法里面創(chuàng)建進(jìn)程和啟動進(jìn)程的代碼，和上面同步方法里面的代碼相同

結(jié)果也和上面的一樣，都不再列出來了

死鎖問題

package test.MyThread.ticketDemo;
//兩個不同的鎖對象
public class LockObject {
    public static final Object lock1 = new Object();
    public static final Object lock2 = new Object();
}

package test.MyThread.ticketDemo;
public class DieLockThread extends Thread{
    public boolean flag;
    public DieLockThread(boolean flag){
        this.flag = flag;
    }
    @Override
    public void run() {
        if(flag){
            synchronized(LockObject.lock1){
                System.out.println("lock1");
                synchronized(LockObject.lock2){
                    System.out.println("lock2");
                }
            }
        }else{
            synchronized(LockObject.lock2){
                System.out.println("lock2");
                synchronized(LockObject.lock1){
                    System.out.println("lock1");
                }
            }
        }
    }
}

package test.MyThread.ticketDemo;
public class DieLockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        DieLockThread d1 = new DieLockThread(true);
        DieLockThread d2 = new DieLockThread(false);
        d1.start();
        d2.start();
    }
}

在這里插入圖片描述

程序會卡在這一步，不能進(jìn)行下一步也不能停止

利用有參構(gòu)造，構(gòu)造出來的線程d1應(yīng)該是先獲得鎖對象LockObject.lock1然后執(zhí)行打印語句。接著獲取鎖對象LockObject.lock2，然后打印lock2。

但是這里因為線程d2是先獲取的鎖對象LockObject.lock2，并占據(jù)這個鎖對象，然后想獲得鎖對象LockObject.lock1，但LockObject.lock1此時被線程d1占據(jù)著

兩個線程都在等待對方釋放鎖對象，然后進(jìn)行下一步，但是兩者都不釋放，導(dǎo)致程序卡死在這里。這就造成了死鎖。

lock

package test.MyThread.ticketDemo;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class LockThread implements Runnable{
    private int ticket = 100;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    @Override
    public void run(){
        while(ticket>0){
            try{
                lock.lock();
                if(ticket>0){
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在出售第 " + (ticket--) + " 張票");
                }
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

package test.MyThread.ticketDemo;
public class LockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        LockThread lt = new LockThread();
        Thread t1 = new Thread(lt,"窗口一");
        Thread t2 = new Thread(lt,"窗口二");
        Thread t3 = new Thread(lt,"窗口三");
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

在這里插入圖片描述