3.1 共享带来的问题
3.1.1 小故事
老王（操作系统）有一个功能强大的算盘（CPU），现在想把它租出去，赚一点外快
小南、小女（线程）来使用这个算盘来进行一些计算，并按照时间给老王支付费用
但小南不能一天24小时使用算盘，他经常要小憩一会（sleep），又或是去吃饭上厕所（阻塞 io 操作），有时还需要一根烟，没烟时思路全无（wait）这些情况统称为（阻塞）
在这些时候，算盘没利用起来（不能收钱了），老王觉得有点不划算
另外，小女也想用用算盘，如果总是小南占着算盘，让小女觉得不公平
于是，老王灵机一动，想了个办法 [ 让他们每人用一会，轮流使用算盘 ]
这样，当小南阻塞的时候，算盘可以分给小女使用，不会浪费，反之亦然
最近执行的计算比较复杂，需要存储一些中间结果，而学生们的脑容量（工作内存）不够，所以老王申请了一个笔记本（主存），把一些中间结果先记在本上
计算流程是这样的
但是由于分时系统，有一天还是发生了事故
小南刚读取了初始值 0 做了个 +1 运算，还没来得及写回结果
老王说 [ 小南，你的时间到了，该别人了，记住结果走吧 ]，于是小南念叨着 [ 结果是1，结果是1…] 不甘心地到一边待着去了（上下文切换）
老王说 [ 小女，该你了 ]，小女看到了笔记本上还写着 0 做了一个 -1 运算，将结果 -1 写入笔记本
这时小女的时间也用完了，老王又叫醒了小南：[小南，把你上次的题目算完吧]，小南将他脑海中的结果 1 写入了笔记本
小南和小女都觉得自己没做错，但笔记本里的结果是 1 而不是 0
3.1.2 代码体现
两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗？
/** * @author lxy * @version 1.0 * @Description 两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗? * @date 2022/6/5 15:24 */ @Slf4j(topic = "c.Test12") public class Test12 { static int counter = 0; public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 5000; i++) { counter++; } }, "t1"); Thread t2 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 5000; i++) { counter--; } }, "t2"); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); log.debug("{}",counter);//-330 0 583 -43 } }
问题分析
以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作，要彻底理解，必须从字节码来进行分析
例如对于 i++ 而言（i 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令： (也就是分为三步:取值 , 加值,写值)
getstatic i // 获取静态变量i的值 iconst_1 // 准备常量1 iadd // 自增 putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i
而对应i--也是类似：
getstatic i // 获取静态变量i的值 iconst_1 // 准备常量1 isub // 自减 putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i
而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和工作内存中进行数据交换：
如果是单线程，以上 8 行代码是顺序执行（不会交错）没有问题：
但多线程下这 8 行代码可能交错运行，出现负数的情况：
出现正数的情况：
3.1.3 临界区 Critical Section
一个程序运行多个线程本身是没有问题的
问题出在多个线程访问共享资源
多个线程读共享资源其实也没有问题
在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题
一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区
例如，下面代码中的临界区
static int counter = 0; static void increment() // 临界区 { counter++; } static void decrement() // 临界区 { counter--; }
3.1.4 竞态条件 Race Condition
多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件
3.2 synchronized 解决方案
3.2.1 应用之互斥
为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的。
阻塞式的解决方案：synchronized，Lock
非阻塞式的解决方案：原子变量
本次课使用阻塞式的解决方案：synchronized ，来解决上述问题，即俗称的**【对象锁】**，它采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换
注意
虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：
互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码
同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点
3.2.2 synchronized改进代码
语法：
synchronized(对象) // 线程1， 线程2(blocked) { //临界区代码 }
改进后的代码
/** * @author lxy * @version 1.0 * @Description 两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗? * @date 2022/6/5 15:24 */ @Slf4j(topic = "c.Test12") public class Test12 { static int counter = 0; static Object lock = new Object();//创建锁对象 public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 5000; i++) { synchronized (lock){ counter++; } } }, "t1"); Thread t2 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 5000; i++) { synchronized (lock){ counter--; } } }, "t2"); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); log.debug("{}",counter); } }
3.2.3 分析与思考
你可以做这样的类比：
synchronized(对象) 中的对象，可以想象为一个房间(root)的钥匙（锁），并且只有一把。房间只能一次进入一人进行计算，线程 t1，t2 想象成两个人
当线程 t1 执行到 synchronized(key) 时就好比 t1 进入了这个房间，并锁住了门拿走了钥匙，在门内执行count++ 代码
这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(key) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待，发生了上下文切换，阻塞住了(从运行态 --> 阻塞态)
这中间即使 t1 的 cpu 时间片不幸用完，被踢出了门外（不要错误理解为锁住了对象就能一直执行下去哦，这和CPU分配的时间片有关），这时门还是锁住的，t1 仍拿着钥匙，t2 线程还在阻塞状态进不来，只有下次轮到 t1 自己再次获得时间片时才能开门进入
当 t1 执行完 synchronized{} 块内的代码，这时候才会从 房间出来并解开门上的锁，唤醒 t2 线程把钥匙给他。t2 线程这时才可以进入 房间，锁住了门拿上钥匙，执行它的 count-- 代码
用时序图描述：
思考
synchronized 实际是**用对象锁保证了临界区内代码的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切换所打断**。
为了加深理解，请思考下面的问题
如果把 synchronized(obj) 放在 for 循环的外面，如何理解？-- 原子性
放在for里面是 对count++ 的四条字节码指令作为原子整体。在这四条指令执行期间不会被其他线程所干扰 放在for外边是对 5000*4 条指令作为原子整体,在这20000条指令执行期间，不会被其他线程所干扰
- 如果 t1 synchronized(obj1) 而 t2 synchronized(obj2) 会怎样运作？-- 锁对象
两个对象对应着两把钥匙(锁)，二者就不存在锁竞争都可以拿到各自的锁。这样只要获得了时间片就都能执行， 那就和没加锁没什么区别了，做不到对共享变量的互斥操作
- 如果 t1 synchronized(obj) 而 t2 没有加会怎么样？如何理解？-- 锁对象
在上下文切换时,t2不会获得锁对象,从而也不会被阻塞,可以直接访问共享变量 一句话:一个进门用钥匙,一个直接一脚踹开
3.2.4 利用面向对象思想改进
把需要保护的共享变量放入一个类
@Slf4j(topic = "c.Test12") public class Test12 { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Room room = new Room(); Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 5000; i++) { room.increment(); } }, "t1"); Thread t2 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 5000; i++) { room.decrement(); } }, "t2"); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); log.debug("{}",room.getCounter()); } } class Room{ private int counter = 0; public void increment(){ synchronized (this){//把当前对象当成锁 counter++; } } public void decrement(){ synchronized (this){ counter--; } } public int getCounter(){ synchronized (this){//两个线程都读不用加锁，如果俩线程只要有一个写那么读也得加锁. 为了通用性,这里加了锁 return counter; } } }
