多線程之線程同步的方法（7種）

同步的方法：

一、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。

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。

 

二、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。 

    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();
        }
 
    }

 

 

        

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示例加講解

同步是多線程中的重要概念。同步的使用可以保證在多線程運行的環境中，程序不會產生設計之外的錯誤結果。同步的實現方式有兩種，同步方法和同步塊，這兩種方式都要用到synchronized關鍵字。

同步方法:給一個方法增加synchronized修飾符之后就可以使它成為同步方法，這個方法可以是靜態方法和非靜態方法，但是不能是抽象類的抽象方法，也不能是接口中的接口方法。下面代碼是一個同步方法的示例：

public synchronized void aMethod() { 
    // do something 
} 

public static synchronized void anotherMethod() { 
    // do something 
} 

線程在執行同步方法時是具有排它性的。當任意一個線程進入到一個對象的任意一個同步方法時，這個對象的所有同步方法都被鎖定了，在此期間，其他任何線程都不能訪問這個對象的任意一個同步方法，直到這個線程執行完它所調用的同步方法並從中退出，從而導致它釋放了該對象的同步鎖之后。在一個對象被某個線程鎖定之后，其他線程是可以訪問這個對象的所有非同步方法的。

同步塊：同步塊是通過鎖定一個指定的對象，來對同步塊中包含的代碼進行同步；而同步方法是對這個方法塊里的代碼進行同步，而這種情況下鎖定的對象就是同步方法所屬的主體對象自身。如果這個方法是靜態同步方法呢？那么線程鎖定的就不是這個類的對象了，也不是這個類自身，而是這個類對應的java.lang.Class類型的對象。同步方法和同步塊之間的相互制約只限於同一個對象之間，所以靜態同步方法只受它所屬類的其它靜態同步方法的制約，而跟這個類的實例（對象）沒有關系。

如果一個對象既有同步方法，又有同步塊，那么當其中任意一個同步方法或者同步塊被某個線程執行時，這個對象就被鎖定了，其他線程無法在此時訪問這個對象的同步方法，也不能執行同步塊。

synchronized 關鍵字用於保護共享數據。請大家注意“共享數據”，你一定要分清哪些數據是共享數據，請看下面的例子：

public class ThreadTest implements Runnable{

public synchronized void run(){
　　for(int i=0;i<10;i++) {
　　　　System.out.print(" " + i);
　　}
}

public static void main(String[] args) {
　　Runnable r1 = new ThreadTest(); //也可寫成ThreadTest r1 = new ThreadTest();
　　Runnable r2 = new ThreadTest();
　　Thread t1 = new Thread(r1);
　　Thread t2 = new Thread(r2);
　　t1.start();
　　t2.start();
}}

 

在這個程序中，run()雖然被加上了synchronized 關鍵字，但保護的不是共享數據。因為這個程序中的t1,t2 是兩個對象（r1,r2）的線程。而不同的對象的數據是不同的，r1,r2 有各自的run()方法，所以輸出結果無法預知。

synchronized的目的是使同一個對象的多個線程，在某個時刻只有其中的一個線程可以訪問這個對象的synchronized 數據。每個對象都有一個“鎖標志”，當這個對象的一個線程訪問這個對象的某個synchronized 數據時，這個對象的所有被synchronized 修飾的數據將被上鎖（因為“鎖標志”被當前線程拿走了），只有當前線程訪問完它要訪問的synchronized 數據時，當前線程才會釋放“鎖標志”，這樣同一個對象的其它線程才有機會訪問synchronized 數據。

示例3：

public class ThreadTest implements Runnable{

public synchronized void run(){
　　for(int i=0;i<10;i++){
　　　　System.out.print(" " + i);
　　}
}

public static void main(String[] args){
　　Runnable r = new ThreadTest();
　　Thread t1 = new Thread(r);
　　Thread t2 = new Thread(r);
　　t1.start();
　　t2.start();
}}

 

如果你運行1000 次這個程序，它的輸出結果也一定每次都是：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9。因為這里的synchronized 保護的是共享數據。t1,t2 是同一個對象（r）的兩個線程，當其中的一個線程（例如：t1）開始執行run()方法時，由於run()受synchronized保護，所以同一個對象的其他線程（t2）無法訪問synchronized 方法（run 方法）。只有當t1執行完后t2 才有機會執行。

示例4：

public class ThreadTest implements Runnable{

public void run(){

    synchronized(this){
    for(int i=0;i<10;i++){
        System.out.print(" " + i);
    }
} 
}

public static void main(String[] args){
    Runnable r = new ThreadTest();
    Thread t1 = new Thread(r);
    Thread t2 = new Thread(r);
    t1.start();
    t2.start();
}
}    

 

這個程序與示例3 的運行結果一樣。在可能的情況下，應該把保護范圍縮到最小，可以用示例4 的形式，this 代表“這個對象”。沒有必要把整個run()保護起來，run()中的代碼只有一個for循環，所以只要保護for 循環就可以了。

示例5：

public class ThreadTest implements Runnable{

public void run(){
　　for(int k=0;k<5;k++){
　　　　System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " : for loop : " + k);
　　}

synchronized(this){
　　for(int k=0;k<5;k++) {
　　　　System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " : synchronized for loop : " + k);
　　}} }

public static void main(String[] args){
　　Runnable r = new ThreadTest();
　　Thread t1 = new Thread(r,"t1_name");
　　Thread t2 = new Thread(r,"t2_name");
　　t1.start();
　　t2.start();
} }

 

運行結果：

t1_name : for loop : 0

t1_name : for loop : 1

t1_name : for loop : 2

t2_name : for loop : 0

t1_name : for loop : 3

t2_name : for loop : 1

t1_name : for loop : 4

t2_name : for loop : 2

t1_name : synchronized for loop : 0

t2_name : for loop : 3

t1_name : synchronized for loop : 1

t2_name : for loop : 4

t1_name : synchronized for loop : 2

t1_name : synchronized for loop : 3

t1_name : synchronized for loop : 4

t2_name : synchronized for loop : 0

t2_name : synchronized for loop : 1

t2_name : synchronized for loop : 2

t2_name : synchronized for loop : 3

t2_name : synchronized for loop : 4

第一個for 循環沒有受synchronized 保護。對於第一個for 循環，t1,t2 可以同時訪問。運行結果表明t1 執行到了k=2 時，t2 開始執行了。t1 首先執行完了第一個for 循環，此時t2還沒有執行完第一個for 循環（t2 剛執行到k=2）。t1 開始執行第二個for 循環，當t1的第二個for 循環執行到k=1 時，t2 的第一個for 循環執行完了。t2 想開始執行第二個for 循環，但由於t1 首先執行了第二個for 循環，這個對象的鎖標志自然在t1 手中（synchronized 方法的執行權也就落到了t1 手中），在t1 沒執行完第二個for 循環的時候，它是不會釋放鎖標志的。所以t2 必須等到t1 執行完第二個for 循環后，它才可以執行第二個for 循環。

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三、wait與notify

wait():使一個線程處於等待狀態，並且釋放所持有的對象的lock。

sleep():使一個正在運行的線程處於睡眠狀態，是一個靜態方法，調用此方法要捕捉InterruptedException異常。
notify():喚醒一個處於等待狀態的線程，注意的是在調用此方法的時候，並不能確切的喚醒某一個等待狀態的線程，而是由JVM確定喚醒哪個線程，而且不是按優先級。
Allnotity():喚醒所有處入等待狀態的線程，注意並不是給所有喚醒線程一個對象的鎖，而是讓它們競爭。

詳細見：wait、notify、notifyAll的使用方法

四、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。 

五、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: 

       //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 

 

六、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： 

        //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

 

七、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 * 實現商家生產商品和買賣商品的同步 * @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

AtomicIntegeraddAddGet(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。