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Java基础进阶多线程-线程安全和synchronized关键字

小半 • • 技术随笔 • 阅读 208

导读：本篇文章讲解 Java基础进阶多线程-线程安全和synchronized关键字，希望对大家有帮助，欢迎收藏，转发！站点地址：www.bmabk.com

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关于多线程并发环境下，数据的安全问题。

为什么线程安全这个是重点

以后在开发中，我们的项目都是运行在服务器当中，
而服务器已经将线程的定义，线程对象的创建，线程
的启动等，都已经实现完了。这些代码我们都不需要
编写。

最重要的是：你要知道，你编写的程序需要放到一个
多线程的环境下运行，你更需要关注的是这些数据
在多线程并发的环境下是否是安全的（重点：*****）

什么时候数据在多线程并发的环境下会存在安全问题呢？

三个条件：

  • 条件1：多线程并发。
  • 条件2：有共享数据。
  • 条件3：共享数据有修改的行为。

满足以上3个条件之后，就会存在线程安全问题。

怎么解决线程安全问题呢？

当多线程并发的环境下，有共享数据，并且这个数据还会被修改，此时就存在
线程安全问题，怎么解决这个问题？

  • 线程排队执行。（不能并发）。
  • 用排队执行解决线程安全问题。
  • 这种机制被称为：线程同步机制。

专业术语叫做：线程同步，实际上就是线程不能并发了，线程必须排队执行。

  • 使用“线程同步机制”。

  • 线程同步就是线程排队了，线程排队了就会牺牲一部分效率，没办法，数据安全
    第一位，只有数据安全了，我们才可以谈效率。数据不安全，没有效率的事儿。

说到线程同步这块，涉及到这两个专业术语：

异步编程模型：

  • 线程t1和线程t2，各自执行各自的，t1不管t2，t2不管t1，
    谁也不需要等谁，这种编程模型叫做：异步编程模型。
    其实就是：多线程并发（效率较高。）

异步就是并发。

同步编程模型：

  • 线程t1和线程t2，在线程t1执行的时候，必须等待t2线程执行
    结束，或者说在t2线程执行的时候，必须等待t1线程执行结束，
    两个线程之间发生了等待关系，这就是同步编程模型。
    效率较低。线程排队执行。

同步就是排队。

Java中有三大变量？【重要的内容。】

  • 实例变量：在堆中。

  • 静态变量：在方法区。

  • 局部变量：在栈中。

以上三大变量中：

  • 局部变量永远都不会存在线程安全问题。
    因为局部变量不共享。（一个线程一个栈。）=
    局部变量在栈中。所以局部变量永远都不会共享

  • 实例变量在堆中，堆只有1个

  • 静态变量在方法区中，方法区只有1个

  • 堆和方法区都是多线程共享的，所以可能存在线程安全问题

局部变量+常量：不会有线程安全问题
成员变量：可能会有线程安全问题。

如果使用局部变量的话：
建议使用：StringBuilder。
因为局部变量不存在线程安全问题。选择StringBuilder。
StringBuffer效率比较低。

ArrayList是非线程安全的。
Vector是线程安全的。
HashMap HashSet是非线程安全的。
Hashtable是线程安全的。

synchronized有三种写法：

第一种：同步代码块

灵活
	synchronized(线程共享对象){
		同步代码块;
	}

synchronized后面小括号中传的这个“数据”是相当关键的。
这个数据必须是多线程共享的数据。才能达到多线程排队。

  • ()中写什么？
    那要看你想让哪些线程同步。
    假设t1、t2、t3、t4、t5，有5个线程，
    你只希望t1 t2 t3排队，t4 t5不需要排队。怎么办？
    你一定要在()中写一个t1 t2 t3共享的对象。而这个
    对象对于t4 t5来说不是共享的。

  • //Object obj2 = new Object();
//synchronized (this){
//synchronized (obj) {
//synchronized ("abc") { // "abc"在字符串常量池当中。
//synchronized (null) { // 报错：空指针。
//synchronized (obj2) { // 这样编写就不安全了。因为obj2不是共享对象。
//synchronized(this){

第二种：在实例方法上使用synchronized

  • 表示共享对象一定是this
    并且同步代码块是整个方法体。

第三种：在静态方法上使用synchronized
表示找类锁。
类锁永远只有1把。
就算创建了100个对象，那类锁也只有一把。

对象锁：1个对象1把锁，100个对象100把锁。
类锁：100个对象，也可能只是1把类锁。

开发中应该怎么解决线程安全问题？

是一上来就选择线程同步吗？synchronized
不是，synchronized会让程序的执行效率降低，用户体验不好。
系统的用户吞吐量降低。用户体验差。在不得已的情况下再选择
线程同步机制。

  • 第一种方案：尽量使用局部变量代替“实例变量和静态变量”。

  • 第二种方案：如果必须是实例变量，那么可以考虑创建多个对象，这样
    实例变量的内存就不共享了。（一个线程对应1个对象，100个线程对应100个对象，
    对象不共享，就没有数据安全问题了。）

  • 第三种方案：如果不能使用局部变量，对象也不能创建多个，这个时候
    就只能选择synchronized了。线程同步机制。

示例代码01：

/*
银行账户
    不使用线程同步机制，多线程对同一个账户进行取款，出现线程安全问题。
 */
public class Account implements Serializable{
    private static final long serialVersionUID = 1655286831056942086L;
    //账户
    private String actno;
    //余额
    private double balance;

    public Account() {
    }

    public Account(String actno, int balance) {
        this.actno = actno;
        this.balance = balance;
    }

    public String getActno() {
        return actno;
    }

    public void setActno(String actno) {
        this.actno = actno;
    }

    public double getBalance() {
        return balance;
    }

    public void setBalance(double balance) {
        this.balance = balance;
    }

    //取款方法
    public void withdraw(double money){

        //取款之前的余额
        // t1和t2并发这个方法。。。。（t1和t2是两个栈。两个栈操作堆中同一个对象。）
       double before = this.getBalance();
        //取款之后的余额
        double after = before - money;

        // 在这里模拟一下网络延迟，100%会出现问题
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        //更新余额
        // 思考：t1执行到这里了，但还没有来得及执行这行代码，t2线程进来withdraw方法了。此时一定出问题。
        this.setBalance(after);
    }
}
public class AccountThread extends Thread{

    // 两个线程必须共享同一个账户对象。
    private Account act;

    // 通过构造方法传递过来账户对象
    public AccountThread(Account act){
        this.act = act;
    }

    public Account getAct() {
        return act;
    }

    public void setAct(Account act) {
        this.act = act;
    }

    public void run(){

        //取款5000
        // run方法的执行表示取款操作。
        // 假设取款5000
        double money = 5000;

        // 取款
        // 多线程并发执行这个方法。
        act.withdraw(money);

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "对" + act.getActno() + "取款" + money + "成功，" + "账户余额为：" + act.getBalance());
    }
}
public class Test {
    public static void main(String[] args) {

        // 创建账户对象（只创建1个）
        Account act = new Account("act-no",10000);

        // 创建两个线程
        Thread t1 = new AccountThread(act);
        Thread t2 = new AccountThread(act);
        // 设置name
        t1.setName("t1");
        t2.setName("t2");
        // 启动线程取款
        t1.start();
        t2.start();

    }
}

运行结果：

在这里插入图片描述

示例代码02：

/*
银行账户
    不使用线程同步机制，多线程对同一个账户进行取款，出现线程安全问题。
 */
public class Account {
    //账户
    private String actno;
    //余额
    private double balance;

    //对象
    Object obj = new Object(); // 实例变量。（Account对象是多线程共享的，Account对象中的实例变量obj也是共享的。）

    public Account() {
    }

    public Account(String actno, int balance) {
        this.actno = actno;
        this.balance = balance;
    }

    public String getActno() {
        return actno;
    }

    public void setActno(String actno) {
        this.actno = actno;
    }

    public double getBalance() {
        return balance;
    }

    public void setBalance(double balance) {
        this.balance = balance;
    }

    //取款方法
    public void withdraw(double money){

        // 以下这几行代码必须是线程排队的，不能并发。
        // 一个线程把这里的代码全部执行结束之后，另一个线程才能进来。
        /*
        线程同步机制的语法是：
            synchronized(){
                // 线程同步代码块。
            }
            synchronized后面小括号中传的这个“数据”是相当关键的。
            这个数据必须是多线程共享的数据。才能达到多线程排队。

            ()中写什么？
                那要看你想让哪些线程同步。
                假设t1、t2、t3、t4、t5，有5个线程，
                你只希望t1 t2 t3排队，t4 t5不需要排队。怎么办？
                你一定要在()中写一个t1 t2 t3共享的对象。而这个
                对象对于t4 t5来说不是共享的。

            这里的共享对象是：账户对象。
            账户对象是共享的，那么this就是账户对象吧！！！
            不一定是this，这里只要是多线程共享的那个对象就行。
            在java语言中，任何一个对象都有“一把锁”，其实这把锁就是标记。（只是把它叫做锁。）
            100个对象，100把锁。1个对象1把锁。

            以下代码的执行原理？
                1、假设t1和t2线程并发，开始执行以下代码的时候，肯定有一个先一个后。
                2、假设t1先执行了，遇到了synchronized，这个时候自动找“后面共享对象”的对象锁，
                找到之后，并占有这把锁，然后执行同步代码块中的程序，在程序执行过程中一直都是
                占有这把锁的。直到同步代码块代码结束，这把锁才会释放。
                3、假设t1已经占有这把锁，此时t2也遇到synchronized关键字，也会去占有后面
                共享对象的这把锁，结果这把锁被t1占有，t2只能在同步代码块外面等待t1的结束，
                直到t1把同步代码块执行结束了，t1会归还这把锁，此时t2终于等到这把锁，然后
                t2占有这把锁之后，进入同步代码块执行程序。

                这样就达到了线程排队执行。
                这里需要注意的是：这个共享对象一定要选好了。这个共享对象一定是你需要排队
                执行的这些线程对象所共享的。
         */
        //Object obj2 = new Object();
        //synchronized (this){
        //synchronized (obj) {
        //synchronized ("abc") { // "abc"在字符串常量池当中。
        //synchronized (null) { // 报错：空指针。
        //synchronized (obj2) { // 这样编写就不安全了。因为obj2不是共享对象。
        //synchronized(this){
            double before = this.getBalance();
            double after = before - money;
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            this.setBalance(after);

    }
}
public class AccountThread extends Thread{

    // 两个线程必须共享同一个账户对象。
    private Account act;

    // 通过构造方法传递过来账户对象
    public AccountThread(Account act){
        this.act = act;
    }

    public Account getAct() {
        return act;
    }

    public void setAct(Account act) {
        this.act = act;
    }

    public void run(){

        //取款5000
        // run方法的执行表示取款操作。
        // 假设取款5000
        double money = 5000;

        // 取款
        // 多线程并发执行这个方法。
        //synchronized (this){//这里的this是AccountThread对象，这个对象不共享！
        synchronized (act) {//这种方式也可以，只不过扩大了同步的范围，效率更低了
            act.withdraw(money);
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "对" + act.getActno() + "取款" + money + "成功，" + "账户余额为：" + act.getBalance());
    }
}
public class Test {
    public static void main(String[] args) {

        // 创建账户对象（只创建1个）
        Account act = new Account("act-no",10000);

        // 创建两个线程
        Thread t1 = new AccountThread(act);
        Thread t2 = new AccountThread(act);
        // 设置name
        t1.setName("t1");
        t2.setName("t2");
        // 启动线程取款
        t1.start();
        t2.start();

    }
}

运行结果：

在这里插入图片描述

示例代码03：

/*
银行账户
    不使用线程同步机制，多线程对同一个账户进行取款，出现线程安全问题。
 */
public class Account implements Serializable{
    private static final long serialVersionUID = 1655286831056942086L;
    //账户
    private String actno;
    //余额
    private double balance;

    public Account() {
    }

    public Account(String actno, int balance) {
        this.actno = actno;
        this.balance = balance;
    }

    public String getActno() {
        return actno;
    }

    public void setActno(String actno) {
        this.actno = actno;
    }

    public double getBalance() {
        return balance;
    }

    public void setBalance(double balance) {
        this.balance = balance;
    }

    //取款方法
    /*
    在实例方法上可以使用synchronized吗？可以的。
        synchronized出现在实例方法上，一定锁的是this。
        没得挑。只能是this。不能是其他的对象了。
        所以这种方式不灵活。

        另外还有一个缺点：synchronized出现在实例方法上，
        表示整个方法体都需要同步，可能会无故扩大同步的
        范围，导致程序的执行效率降低。所以这种方式不常用。

        synchronized使用在实例方法上有什么优点？
            代码写的少了。节俭了。

        如果共享的对象就是this，并且需要同步的代码块是整个方法体，
        建议使用这种方式。
     */
    public synchronized void withdraw(double money){

       double before = this.getBalance();
        double after = before - money;
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        this.setBalance(after);
    }
}
public class AccountThread extends Thread{

    // 两个线程必须共享同一个账户对象。
    private Account act;

    // 通过构造方法传递过来账户对象
    public AccountThread(Account act){
        this.act = act;
    }

    public Account getAct() {
        return act;
    }

    public void setAct(Account act) {
        this.act = act;
    }

    public void run(){

        //取款5000
        // run方法的执行表示取款操作。
        // 假设取款5000
        double money = 5000;

        // 取款
        // 多线程并发执行这个方法。
        act.withdraw(money);

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "对" + act.getActno() + "取款" + money + "成功，" + "账户余额为：" + act.getBalance());
    }
}
public class Test {
    public static void main(String[] args) {

        // 创建账户对象（只创建1个）
        Account act = new Account("act-no",10000);

        // 创建两个线程
        Thread t1 = new AccountThread(act);
        Thread t2 = new AccountThread(act);
        // 设置name
        t1.setName("t1");
        t2.setName("t2");
        // 启动线程取款
        t1.start();
        t2.start();

    }
}

运行结果：

在这里插入图片描述

synchronized面试题01：

doOther方法执行的时候需要等待doSome方法的结束吗？不需要

因为doOther方法没有sychronized关键字，所以doOther方法不需要到锁池中获取锁

示例代码04：

public class Exam01 {
    public static void main(String[] args) {
        MyClass c = new MyClass();

        MyThread t1 = new MyThread(c);
        MyThread t2 = new MyThread(c);

        t1.setName("t1");
        t2.setName("t2");
        t1.start();
        try {
            Thread.sleep(1000);//这个睡眠的作用是：为了保证t1线程先执行。
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        t2.start();

    }
}

class MyThread extends Thread {
    private MyClass mc;

    public MyThread(MyClass mc) {
        this.mc = mc;
    }

    public void run() {

        if(Thread.currentThread().getName().equals("t1")){
            mc.doSome();
        }
        if(Thread.currentThread().getName().equals("t2")){
            mc.doOther();
        }
    }
}
class MyClass {

        public synchronized void doSome() {
            System.out.println("doSome beign");
            try {
                Thread.sleep(1000 * 5);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("doSome over");
        }

        public void doOther() {
            System.out.println("doOther beign");
            System.out.println("doOther over");//因为doOther方法没有sychronized关键字，所以doOther方法不需要到锁池中获取锁
        }
    }

运行结果：

在这里插入图片描述

synchronized面试题02：

doOther方法执行的时候需要等待doSome方法的结束吗？需要

因为doOther方法有sychronized关键字，所以doOther方法需要排队（等待doSome方法执行玩释放锁之后）获取锁

示例代码05：

public class Exam02 {
        public static void main(String[] args) {

            MyClass1 a = new exam.MyClass1();
            MyThread1 t3 = new exam.MyThread1(a);
            MyThread1 t4 = new exam.MyThread1(a);

            t3.setName("t3");
            t4.setName("t4");
            t3.start();
            try {
                Thread.sleep(1000);//这个睡眠的作用是：为了保证t1线程先执行。
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            t4.start();

        }
    }

class MyThread1 extends Thread {
        private MyClass1 mc;

        public MyThread1(MyClass1 mc) {
            this.mc = mc;
        }

        public void run() {

            if(Thread.currentThread().getName().equals("t3")){
                mc.doSome();
            }
            if(Thread.currentThread().getName().equals("t4")){
                mc.doOther();
            }
        }
    }
class MyClass1 {
        public synchronized void doSome() {
            System.out.println("doSome beign");
            try {
                Thread.sleep(1000 * 5);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("doSome over");
        }

        public synchronized void doOther() {
            System.out.println("doOther beign");
            System.out.println("doOther over");//因为doOther方法有sychronized关键字，所以doOther方法需要排队（等待doSome方法执行玩释放锁之后）获取锁
        }
    }

运行结果：

在这里插入图片描述

synchronized面试题03：

doOther方法执行的时候需要等待doSome方法的结束吗？不需要

因为MyClass对象是两个，两把锁。

示例代码06：

public class Exam03 {
        public static void main(String[] args) {
            MyClass2 c1 = new MyClass2();
            MyClass2 c2 = new MyClass2();//创建两个对象就没有共享对象了,不需要排队获取锁

            MyThread2 t1 = new MyThread2(c1);
            MyThread2 t2 = new MyThread2(c2);

            t1.setName("t1");
            t2.setName("t2");
            t1.start();
            try {
                Thread.sleep(1000);//这个睡眠的作用是：为了保证t1线程先执行。
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            t2.start();

        }
    }

    class MyThread2 extends Thread {
        private MyClass2 mc;

        public MyThread2(MyClass2 mc) {
            this.mc = mc;
        }

        public void run() {

            if(Thread.currentThread().getName().equals("t1")){
                mc.doSome();
            }
            if(Thread.currentThread().getName().equals("t2")){
                mc.doOther();
            }
        }
    }
    class MyClass2 {

        public synchronized void doSome() {
            System.out.println("doSome beign");
            try {
                Thread.sleep(1000 * 5);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("doSome over");
        }

        public synchronized void doOther() {
            System.out.println("doOther beign");
            System.out.println("doOther over");
        }
    }

运行结果：

在这里插入图片描述

synchronized面试题04：

doOther方法执行的时候需要等待doSome方法的结束吗？需要

因为静态方法是类锁，不管创建了几个对象，类锁只有。

示例代码07：

public class Exam04 {
    public static void main(String[] args) {

        MyClass2 c = new MyClass2();

        MyThread2 t1 = new MyThread2(c);
        MyThread2 t2 = new MyThread2(c);

        t1.setName("t1");
        t2.setName("t2");
        t1.start();
        try {
            Thread.sleep(1000);//这个睡眠的作用是：为了保证t1线程先执行。
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        t2.start();

    }
}

class MyThread3 extends Thread {
    private MyClass3 mc;

    public MyThread3(MyClass3 mc) {
        this.mc = mc;
    }

    public void run() {

        if(Thread.currentThread().getName().equals("t1")){
            mc.doSome();
        }
        if(Thread.currentThread().getName().equals("t2")){
            mc.doOther();
        }
    }
}
// synchronized出现在静态方法上是找类锁。
class MyClass3 {

    public synchronized static void doSome() {
        System.out.println("doSome beign");
        try {
            Thread.sleep(1000 * 5);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("doSome over");
    }

    public synchronized static void doOther() {
        System.out.println("doOther beign");
        System.out.println("doOther over");
    }
}

运行结果：

在这里插入图片描述

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