Java 多线程(二)——线程安全

一、前言

多线程的实现方式我们已经讲完了,今天我们来讲线程安全

二、线程安全

2.1、线程安全概述

如果有多个线程在同时运行,而这些线程可能会同时访问某一共享变量,这样就会产生线程安全问题。

我们通过一个卖票案例来演示线程安全问题:

public class RunnableImpl implements Runnable {

    // 定义一个多线程共享的票源
    private int ticket = 100;

    // 卖票
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            if (ticket > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->正在卖第" + ticket + "张票");
                ticket--;
            }
        }
    }
}

测试类:

public class TestSellTicket {

    // 创建三个线程,同时开启,对共享的票进行出售
    public static void main(String[] args) {
        // 创建Runnable接口的实现类
        RunnableImpl runnable = new RunnableImpl();
        // 创建Thread
        Thread t0 = new Thread(runnable);
        Thread t1 = new Thread(runnable);
        Thread t2 = new Thread(runnable);
        t0.start();
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

测试结果如下所示:

可以看到运行结果中出现了重复的票,这就是线程不安全。线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作,而无写操作,一般来说,这个全局变量是线程安全的;若有多个线程同时执行写操作,一般都需要考虑线程同步,否则的话就可能出现线程安全的问题。

2.2、线程同步

当我们使用多个线程访问同一资源的时候,且多个线程中对资源有写的操作,就容易出现线程安全问题。

要解决上述多线程并发访问一个资源的安全性问题:也就是解决重复票与不存在票问题,Java 中提供了同步机制 (synchronized) 来解决。

根据上述卖票案例简述:

窗口 1 线程进入操作的时候,窗口 2 和窗口 3 线程只能在外等着,窗口 1 操作结束,窗口 1 和窗口 2 和窗口 3 才有机会进入代码去执行。也就是说在某个线程修改共享资源的时候,其他线程不能修改该资源,等待修改完毕同步之后,才能去抢夺 CPU 资源,完成对应的操作,保证了数据的同步性,解决了线程不安全的现象。

为了保证每个线程都能正常执行原子操作,Java 引入了线程同步机制。主要有以下三种方式:

  1. 同步代码块;
  2. 同步方法;
  3. 锁机制;

2.2.1、同步代码块

synchronized 关键字可以用于方法中的某个区块中,表示只对这个区块的资源实行互斥访问。

格式:

synchronized(同步锁){
    需要同步操作的代码
}

注意:

  1. 代码块中的锁对象可以是任意对象;
  2. 但是必须保证多个线程使用的锁对象是同一个;
  3. 锁对象的作用就是将同步代码块锁住,只允许一个线程在同步代码块中执行;

利用同步代码块实现线程安全的具体代码实现如下所示:

public class RunnableImpl implements Runnable {

    // 定义一个多线程共享的票源
    private int ticket = 100;

    // 创建一个锁对象
    Object object = new Object();

    // 卖票
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            // 创建同步代码块
            synchronized (object) {
                if (ticket > 0) {
                    // 模拟卖票时间
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->正在卖第" + ticket + "张票");
                    ticket--;
                }
            }
        }
    }
}

同步技术的原理:

同步中的线程,没有执行完毕不会释放锁,同步外的线程没有锁进不去同步,所以就可以保证同步中始终只有一个线程在执行,保证了线程安全。但是程序会频换的判断锁、获取锁和释放锁导致程序的效率降低。

2.2.2、同步方法

使用 synchronized 修饰的方法,就叫做同步方法,保证A线程执行该方法的时候,其他线程只能在方法外等着。

格式:

public synchronized void method(){
    可能会产生线程安全问题的代码
}

利用同步方法实现线程安全的具体代码实现如下所示:

public class RunnableImpl implements Runnable {

    // 定义一个多线程共享的票源
    private int ticket = 100;

    // 卖票
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            sellTicket();
        }
    }

    /**
     * 定义一个同步方法
     */
    public synchronized void sellTicket() {
        if (ticket > 0) {

            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->正在卖第" + ticket + "张票");
            ticket--;
        }
    }
}

2.2.3、Lock 锁

java.util.concurrent.locks.Lock 机制提供了比 synchronized 代码块和 synchronized 方法更广泛的锁定操作,同步代码块/同步方法具有的功能 Lock 都有,除此之外更强大,更体现面向对象。

Lock 锁也称同步锁,加锁与释放锁方法化了,如下:

  1. public void lock() : 获取锁;
  2. public void lock() : 释放同步锁;

Lock 锁使用步骤:

  1. 在成员位置创建一个 ReentrantLock 对象;
  2. 在可能出现安全问题的代码前调用 Lock 接口中的方法lock();
  3. 在可能出现安全问题的代码前调用 Lock 接口中的方法unLock();

利用 Lock 锁实现线程安全的具体代码实现如下所示:

public class RunnableImpl implements Runnable {

    // 定义一个多线程共享的票源
    private int ticket = 100;

    // 在成员位置创建一个 ReentrantLock 对象;
    Lock l = new ReentrantLock(); 

    // 卖票
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            l.lock();
            if (ticket > 0) {

                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->正在卖第" + ticket + "张票");
                ticket--;
            }
            l.unlock();
        }
    }
}

三、小结

多线程的线程安全我们已经讲完了,下一节我们来讲线程状态

四、源码

文章中用到的所有源码已上传至 github,有需要的可以去下载。