java筆記--關於線程同步（7種同步方式）

關於線程同步(7種方式)

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為何要使用同步？
    java允許多線程並發控制，當多個線程同時操作一個可共享的資源變量時（如數據的增刪改查），
    將會導致數據不准確，相互之間產生沖突，因此加入同步鎖以避免在該線程沒有完成操作之前，被其他線程的調用，
    從而保證了該變量的唯一性和准確性。

 

1.同步方法
    即有synchronized關鍵字修飾的方法。
    由於java的每個對象都有一個內置鎖，當用此關鍵字修飾方法時，
    內置鎖會保護整個方法。在調用該方法前，需要獲得內置鎖，否則就處於阻塞狀態。

    代碼如：
    public synchronized void save(){}

   注： synchronized關鍵字也可以修飾靜態方法，此時如果調用該靜態方法，將會鎖住整個類

 

2.同步代碼塊
    即有synchronized關鍵字修飾的語句塊。
    被該關鍵字修飾的語句塊會自動被加上內置鎖，從而實現同步

    代碼如：
    synchronized(object){
    }

    注：同步是一種高開銷的操作，因此應該盡量減少同步的內容。
    通常沒有必要同步整個方法，使用synchronized代碼塊同步關鍵代碼即可。
    
    代碼實例：
    

package com.xhj.thread;

    /**
     * 線程同步的運用
     * 
     * @author XIEHEJUN
     * 
     */
    public class SynchronizedThread {

        class Bank {

            private int account = 100;

            public int getAccount() {
                return account;
            }

            /**
             * 用同步方法實現
             * 
             * @param money
             */
            public synchronized void save(int money) {
                account += money;
            }

            /**
             * 用同步代碼塊實現
             * 
             * @param money
             */
            public void save1(int money) {
                synchronized (this) {
                    account += money;
                }
            }
        }

        class NewThread implements Runnable {
            private Bank bank;

            public NewThread(Bank bank) {
                this.bank = bank;
            }

            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    // bank.save1(10);
                    bank.save(10);
                    System.out.println(i + "賬戶余額為：" + bank.getAccount());
                }
            }

        }

        /**
         * 建立線程，調用內部類
         */
        public void useThread() {
            Bank bank = new Bank();
            NewThread new_thread = new NewThread(bank);
            System.out.println("線程1");
            Thread thread1 = new Thread(new_thread);
            thread1.start();
            System.out.println("線程2");
            Thread thread2 = new Thread(new_thread);
            thread2.start();
        }

        public static void main(String[] args) {
            SynchronizedThread st = new SynchronizedThread();
            st.useThread();
        }

    }

    
3.使用特殊域變量(volatile)實現線程同步

    a.volatile關鍵字為域變量的訪問提供了一種免鎖機制，
    b.使用volatile修飾域相當於告訴虛擬機該域可能會被其他線程更新，
    c.因此每次使用該域就要重新計算，而不是使用寄存器中的值
    d.volatile不會提供任何原子操作，它也不能用來修飾final類型的變量
   
    例如：
        在上面的例子當中，只需在account前面加上volatile修飾，即可實現線程同步。
   
    代碼實例：
    

      //只給出要修改的代碼，其余代碼與上同
        class Bank {
            //需要同步的變量加上volatile
            private volatile int account = 100;

            public int getAccount() {
                return account;
            }
            //這里不再需要synchronized 
            public void save(int money) {
                account += money;
            }
        ｝

    注：多線程中的非同步問題主要出現在對域的讀寫上，如果讓域自身避免這個問題，則就不需要修改操作該域的方法。
    用final域，有鎖保護的域和volatile域可以避免非同步的問題。
   
4.使用重入鎖實現線程同步

    在JavaSE5.0中新增了一個java.util.concurrent包來支持同步。
    ReentrantLock類是可重入、互斥、實現了Lock接口的鎖，
    它與使用synchronized方法和快具有相同的基本行為和語義，並且擴展了其能力

    ReenreantLock類的常用方法有：

        ReentrantLock() : 創建一個ReentrantLock實例
        lock() : 獲得鎖
        unlock() : 釋放鎖
    注：ReentrantLock()還有一個可以創建公平鎖的構造方法，但由於能大幅度降低程序運行效率，不推薦使用
       
    例如：
        在上面例子的基礎上，改寫后的代碼為:
       
    代碼實例：
    

//只給出要修改的代碼，其余代碼與上同
        class Bank {
            
            private int account = 100;
            //需要聲明這個鎖
            private Lock lock = new ReentrantLock();
            public int getAccount() {
                return account;
            }
            //這里不再需要synchronized 
            public void save(int money) {
                lock.lock();
                try{
                    account += money;
                }finally{
                    lock.unlock();
                }
                
            }
        ｝

         
    注：關於Lock對象和synchronized關鍵字的選擇：
        a.最好兩個都不用，使用一種java.util.concurrent包提供的機制，
            能夠幫助用戶處理所有與鎖相關的代碼。
        b.如果synchronized關鍵字能滿足用戶的需求，就用synchronized，因為它能簡化代碼
        c.如果需要更高級的功能，就用ReentrantLock類，此時要注意及時釋放鎖，否則會出現死鎖，通常在finally代碼釋放鎖
       
5.使用局部變量實現線程同步
    如果使用ThreadLocal管理變量，則每一個使用該變量的線程都獲得該變量的副本，
    副本之間相互獨立，這樣每一個線程都可以隨意修改自己的變量副本，而不會對其他線程產生影響。

 

    ThreadLocal 類的常用方法

 

    ThreadLocal() : 創建一個線程本地變量
    get() : 返回此線程局部變量的當前線程副本中的值
    initialValue() : 返回此線程局部變量的當前線程的"初始值"
    set(T value) : 將此線程局部變量的當前線程副本中的值設置為value

 

    例如：
        在上面例子基礎上，修改后的代碼為：
       
    代碼實例：
        

//只改Bank類，其余代碼與上同
        public class Bank{
            //使用ThreadLocal類管理共享變量account
            private static ThreadLocal<Integer> account = new ThreadLocal<Integer>(){
                @Override
                protected Integer initialValue(){
                    return 100;
                }
            };
            public void save(int money){
                account.set(account.get()+money);
            }
            public int getAccount(){
                return account.get();
            }
        }

    注：ThreadLocal與同步機制
        a.ThreadLocal與同步機制都是為了解決多線程中相同變量的訪問沖突問題。
        b.前者采用以"空間換時間"的方法，后者采用以"時間換空間"的方式

 

 

 

6.使用阻塞隊列實現線程同步

 

    前面5種同步方式都是在底層實現的線程同步，但是我們在實際開發當中，應當盡量遠離底層結構。 
    使用javaSE5.0版本中新增的java.util.concurrent包將有助於簡化開發。 
    本小節主要是使用LinkedBlockingQueue<E>來實現線程的同步 
    LinkedBlockingQueue<E>是一個基於已連接節點的，范圍任意的blocking queue。 
    隊列是先進先出的順序（FIFO），關於隊列以后會詳細講解~ 
    
   LinkedBlockingQueue 類常用方法 
    LinkedBlockingQueue() : 創建一個容量為Integer.MAX_VALUE的LinkedBlockingQueue 
    put(E e) : 在隊尾添加一個元素，如果隊列滿則阻塞 
    size() : 返回隊列中的元素個數 
    take() : 移除並返回隊頭元素，如果隊列空則阻塞 
    
   代碼實例： 
        實現商家生產商品和買賣商品的同步

package com.xhj.thread;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

/**
 * 用阻塞隊列實現線程同步 LinkedBlockingQueue的使用
 * 
 * @author XIEHEJUN
 * 
 */
public class BlockingSynchronizedThread {
    /**
     * 定義一個阻塞隊列用來存儲生產出來的商品
     */
    private LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<Integer>();
    /**
     * 定義生產商品個數
     */
    private static final int size = 10;
    /**
     * 定義啟動線程的標志，為0時，啟動生產商品的線程；為1時，啟動消費商品的線程
     */
    private int flag = 0;

    private class LinkBlockThread implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            int new_flag = flag++;
            System.out.println("啟動線程 " + new_flag);
            if (new_flag == 0) {
                for (int i = 0; i < size; i++) {
                    int b = new Random().nextInt(255);
                    System.out.println("生產商品：" + b + "號");
                    try {
                        queue.put(b);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("倉庫中還有商品：" + queue.size() + "個");
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            } else {
                for (int i = 0; i < size / 2; i++) {
                    try {
                        int n = queue.take();
                        System.out.println("消費者買去了" + n + "號商品");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("倉庫中還有商品：" + queue.size() + "個");
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (Exception e) {
                        // TODO: handle exception
                    }
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        BlockingSynchronizedThread bst = new BlockingSynchronizedThread();
        LinkBlockThread lbt = bst.new LinkBlockThread();
        Thread thread1 = new Thread(lbt);
        Thread thread2 = new Thread(lbt);
        thread1.start();
        thread2.start();

    }

}

 

注：BlockingQueue<E>定義了阻塞隊列的常用方法，尤其是三種添加元素的方法，我們要多加注意，當隊列滿時：

　　add()方法會拋出異常

　　offer()方法返回false

　　put()方法會阻塞

 

 

7.使用原子變量實現線程同步

 

需要使用線程同步的根本原因在於對普通變量的操作不是原子的。

那么什么是原子操作呢？
原子操作就是指將讀取變量值、修改變量值、保存變量值看成一個整體來操作
即-這幾種行為要么同時完成，要么都不完成。

在java的util.concurrent.atomic包中提供了創建了原子類型變量的工具類，
使用該類可以簡化線程同步。

其中AtomicInteger 表可以用原子方式更新int的值，可用在應用程序中(如以原子方式增加的計數器)，
但不能用於替換Integer；可擴展Number，允許那些處理機遇數字類的工具和實用工具進行統一訪問。

AtomicInteger類常用方法：
AtomicInteger(int initialValue) : 創建具有給定初始值的新的AtomicInteger
addAddGet(int dalta) : 以原子方式將給定值與當前值相加
get() : 獲取當前值

代碼實例：
只改Bank類，其余代碼與上面第一個例子同

class Bank {
        private AtomicInteger account = new AtomicInteger(100);

        public AtomicInteger getAccount() {
            return account;
        }

        public void save(int money) {
            account.addAndGet(money);
        }
    } 

補充--原子操作主要有：
　　對於引用變量和大多數原始變量(long和double除外)的讀寫操作；
　　對於所有使用volatile修飾的變量(包括long和double)的讀寫操作。