關於線程同步(7種方式)
- 同步方法
- 同步代碼塊
- 使用重入鎖實現線程同步（ReentrantLock）
- 使用特殊域變量(volatile)實現同步(每次重新計算，安全但並非一致)
- 使用局部變量實現線程同步（ThreadLocal）以空間換時間
- 使用原子變量實現線程同步(AtomicInteger(樂觀鎖))
- 使用阻塞隊列實現線程同步(BlockingQueue （常用）add(),offer(),put()
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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。
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
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();
}
}
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方法和塊具有相同的基本行為和語義，並且擴展了其能力
ReentrantLock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
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。
可見性：可見性在java內存模型中有定義，可以參看。
普通變量則沒有，他們在線程之間的交互是通過主內存來完成，volatile變量則是通過主內存完成交換，但是兩者區別在於volatile變量能立即同步到主內存中，當一個線程修改變量的變量的時候，立刻會被其他線程感知到。
特別注意一點：volatile變量的可見性經常性被誤解，認為，valotile變量在各個線程中是一致的。所以基於volatile變量是安全的。這種認為是錯誤的。論據是正確的，但是得出的是安全的就不正確了。不會存在不一致性問題（在各個的工作內存中可以存在不一致的情況，但是由於每次使用之前都要刷新，執行引擎看不到不一致的問題，因此認為不存在不一致的問題）但是java里面的運算中並非原子操作，導致volatile變量的運算在並發下一樣不安全。
實現可見性方式： 1.volatile 2.synchronized 3.final
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。變量局部化。
java.lang
類 ThreadLocal<T>
java.lang.ThreadLocal<T>
直接已知子類：
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(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
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。小工具包，支持在單個變量上解除鎖的線程安全編程。
| 類摘要 |
|
| 可以用原子方式更新的 boolean 值。 |
|
| 可以用原子方式更新的 int 值。 |
|
| 可以用原子方式更新其元素的 int 數組。 |
|
| 基於反射的實用工具，可以對指定類的指定 volatile int 字段進行原子更新。 |
|
| 可以用原子方式更新的 long 值。 |
|
| 可以用原子方式更新其元素的 long 數組。 |
|
| 基於反射的實用工具，可以對指定類的指定 volatile long 字段進行原子更新。 |
|
| AtomicMarkableReference 維護帶有標記位的對象引用，可以原子方式對其進行更新。 |
|
| 可以用原子方式更新的對象引用。 |
|
| 可以用原子方式更新其元素的對象引用數組。 |
|
| 基於反射的實用工具，可以對指定類的指定 volatile 字段進行原子更新。 |
|
| AtomicStampedReference 維護帶有整數"標志"的對象引用，可以用原子方式對其進行更新。 |
|
其中AtomicInteger(樂觀鎖)為例 ：
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
addAndGet(int dalta) : 以原子方式將給定值與當前值相加
| int |
getAndAdd(int delta) 以原子方式將給定值與當前值相加。 |
| int |
getAndDecrement() 以原子方式將當前值減 1。 |
| int |
getAndIncrement() 以原子方式將當前值加 1。 |
int get() : 獲取當前值
set（）：設置給定初始值
代碼實例：
只改Bank類，其余代碼與上面第一個例子同
1 class Bank {
2 private AtomicInteger account = new AtomicInteger(100);
3
4 public AtomicInteger getAccount() {
5 return account;
6 }
7
8 public void save(int money) {
//以原子方式將給定值與當前值相加
9 account.addAndGet(money);
10 }
11 }
阻塞隊列與普通隊列的區別在於，當隊列是空的時，從隊列中獲取元素的操作將會被阻塞，或者當隊列是滿時，往隊列里添加元素的操作會被阻塞。試圖從空的阻塞隊列中獲取元素的線程將會被阻塞，直到其他的線程往空的隊列插入新的元素。同樣，試圖往已滿的阻塞隊列中添加新元素的線程同樣也會被阻塞，直到其他的線程使隊列重新變得空閑起來，如從隊列中移除一個或者多個元素，或者完全清空隊列，同時，阻塞隊列里面的put、take方法是被加：synchronized 同步限制，下圖展示了如何通過阻塞隊列來合作：
add()方法會拋出異常 offer()方法返回false put()方法會阻塞
二、幾種常見阻塞隊列
1、BlockingQueue （常用）
獲取元素的時候等待隊列里有元素，否則阻塞
保存元素的時候等待隊列里有空間，否則阻塞
用來簡化生產者消費者在多線程環境下的開發
2、ArrayBlockingQueue （數組阻塞隊列）
FIFO、數組實現
有界阻塞隊列，一旦指定了隊列的長度，則隊列的大小不能被改變
在生產者消費者例子中，如果生產者生產實體放入隊列超過了隊列的長度，則在offer(或者put,add)的時候會被阻塞，直到隊列的實體數量< 隊列的
初始size為止。不過可以設置超時時間，超時后隊列還未空出位置，則offer失敗。
如果消費者發現隊列里沒有可被消費的實體時也會被阻塞，直到有實體被生產出來放入隊列位置，不過可以設置等待的超時時間，超過時間后會返
回null
3、DelayQueue （延遲隊列）
有界阻塞延時隊列，當隊列里的元素延時期未到是，通過take方法不能獲取，會被阻塞，直到有元素延時到期為止
如：
1.obj 5s 延時到期
2.obj 6s 延時到期
3.obj 9s 延時到期
那么在take的時候，需要等待5秒鍾才能獲取第一個obj，再過1s后可以獲取第二個obj，再過3s后可以獲得第三個obj
這個隊列可以用來處理session過期失效的場景，比如session在創建的時候設置延時到期時間為30分鍾，放入延時隊列里，然后通過一個線程來獲 取這個隊列元素，只要能被獲取到的，表示已經是過期的session，被獲取的session可以肯定超過30分鍾了，這時對session進行失效。
4、LinkedBlockingQueue （鏈表阻塞隊列）
FIFO、Node鏈表結構
可以通過構造方法設置capacity來使得阻塞隊列是有界的，也可以不設置，則為無界隊列
其他功能類似ArrayBlockingQueue
5、PriorityBlockingQueue （優先級阻塞隊列）
無界限隊列，相當於PriorityQueue + BlockingQueue
插入的對象必須是可比較的，或者通過構造方法實現插入對象的比較器Comparator<? super E>
隊列里的元素按Comparator<? super E> comparator比較結果排序，PriorityBlockingQueue可以用來處理一些有優先級的事物。比如短信發送優先 級隊列，隊列里已經有某企業的100000條短信，這時候又來了一個100條緊急短信，優先級別比較高，可以通過PriorityBlockingQueue來輕松實現 這樣的功能。這樣這個100條可以被優先發送
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
1 package com.xhj.thread;
2
3 import java.util.Random;
4 import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
5
6 /**
7 * 用阻塞隊列實現線程同步 LinkedBlockingQueue的使用
8 *
9 * @author XIEHEJUN
10 *
11 */
12 public class BlockingSynchronizedThread {
13 /**
14 * 定義一個阻塞隊列用來存儲生產出來的商品
15 */
16 private LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<Integer>();
17 /**
18 * 定義生產商品個數
19 */
20 private static final int size = 10;
21 /**
22 * 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
23 */
24 private int flag = 0;
25
26 private class LinkBlockThread implements Runnable {
27 @Override
28 public void run() {
29 int new_flag = flag++;
30 System.out.println("啟動線程 " + new_flag);
31 if (new_flag == 0) {
32 for (int i = 0; i < size; i++) {
33 int b = new Random().nextInt(255);
34 System.out.println("生產商品：" + b + "號");
35 try {
36 queue.put(b);
37 } catch (InterruptedException e) {
38 // TODO Auto-generated catch block
39 e.printStackTrace();
40 }
41 System.out.println("倉庫中還有商品：" + queue.size() + "個");
42 try {
43 Thread.sleep(100);
44 } catch (InterruptedException e) {
45 // TODO Auto-generated catch block
46 e.printStackTrace();
47 }
48 }
49 } else {
50 for (int i = 0; i < size / 2; i++) {
51 try {
52 int n = queue.take();
53 System.out.println("消費者買去了" + n + "號商品");
54 } catch (InterruptedException e) {
55 // TODO Auto-generated catch block
56 e.printStackTrace();
57 }
58 System.out.println("倉庫中還有商品：" + queue.size() + "個");
59 try {
60 Thread.sleep(100);
61 } catch (Exception e) {
62 // TODO: handle exception
63 }
64 }
65 }
66 }
67 }
68
69 public static void main(String[] args) {
70 BlockingSynchronizedThread bst = new BlockingSynchronizedThread();
71 LinkBlockThread lbt = bst.new LinkBlockThread();
72 Thread thread1 = new Thread(lbt);
73 Thread thread2 = new Thread(lbt);
74 thread1.start();
75 thread2.start();
76
77 }
78
79 }
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