【JavaSE专栏78】线程同步，控制多个线程之间的访问顺序和共享资源的安全性

本文讲解了 Java 中线程同步的语法和应用场景，并给出了样例代码。线程同步是一种机制，用于控制多个线程之间的访问顺序和共享资源的安全性。当多个线程并发地访问共享资源时，如果没有适当的同步机制，可能会导致数据不一致或出现竞态条件等问题。

一、什么是线程同步

线程同步是一种机制，用于控制多个线程之间的访问顺序和共享资源的安全性，当多个线程并发地访问共享资源时，如果没有适当的同步机制，可能会导致数据不一致或出现竞态条件等问题。

线程同步的目的是保证多个线程按照一定的顺序访问共享资源，避免数据错误和不确定性的出现，Java 提供了多种线程同步的机制，常用的有以下几种：

1. synchronized 关键字：使用 synchronized 关键字可以修饰方法或代码块，确保在同一时间只有一个线程可以访问被修饰的方法或代码块。通过获取内置锁（也称为监视器锁）来实现线程同步，保证了多个线程对共享资源的互斥访问。
2. ReentrantLock 类：ReentrantLock 是 Java 提供的一个可重入锁（即允许同一线程多次获取锁），相比于 synchronized 关键字，ReentrantLock 提供了更多的灵活性和功能，例如可定时、可中断的获取锁、公平性等。
3. volatile 关键字：volatile 关键字用于修饰共享变量，保证多个线程对该变量的可见性。被 volatile 修饰的变量在每次访问时都会从主内存中读取最新的值，而不使用线程的本地缓存，从而确保了多个线程之间的数据一致性。
4. synchronized 关键字和 Lock 接口的条件变量：synchronized 关键字和 Lock 接口提供了条件变量（Condition），可以通过条件变量实现更细粒度的线程同步。条件变量可以让线程在某个条件满足时等待，或者唤醒其他线程。

线程同步是保证多线程程序正确执行的重要手段，通过合理地使用线程同步机制，可以避免数据竞争和不一致的问题，保证程序的正确性和稳定性。

二、如何模拟线程同步

下面是一个使用 synchronized 关键字模拟线程同步的简单示例代码，请同学们复制到本地执行。

public class ThreadSyncExample {
    private int count = 0;
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }
    public synchronized void decrement() {
        count--;
    }
    public int getCount() {
        return count;
    }
}
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadSyncExample example = new ThreadSyncExample();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                example.increment();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                example.decrement();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        try {
            t1.join();
            t2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("Final Count: " + example.getCount());
    }
}

在这个例子中，ThreadSyncExample 类中的 increment() 和 decrement() 方法都使用了 synchronized 关键字修饰，确保在同一时间只有一个线程可以访问这些方法。因此，当两个线程分别调用 increment() 和 decrement() 方法时，会按照顺序依次执行，避免了对 count 变量的并发访问问题。

在 Main 类中，创建了两个线程 t1 和 t2 ，分别对 count 进行递增和递减操作。通过调用 t1.join() 和 t2.join()，确保在打印最终结果之前，等待 t1 和 t2 线程执行完毕。最终，打印出 count 的最终值。

通过使用 synchronized 关键字进行线程同步，可以保证线程安全性，避免数据竞争和不一致的问题。

三、线程同步的应用场景

线程同步在 Java 中有许多应用场景，下面列举一些常见的应用场景，请同学们认真学习。

1. 多线程访问共享资源：当多个线程同时访问共享资源（如共享变量、文件、数据库）时，需要使用线程同步机制来保证数据的一致性和正确性，避免数据竞争和并发访问问题。
2. 生产者-消费者模型：在生产者-消费者模型中，生产者线程负责生产数据，消费者线程负责消费数据。使用线程同步机制可以确保生产者和消费者的执行顺序以及数据的正确传递，避免数据丢失或重复消费的问题。
3. 控制线程执行顺序：有时候需要确保多个线程按照特定的顺序依次执行，例如线程A执行完后线程B再执行，可以使用线程同步机制来实现线程之间的协调和依赖关系。
4. 线程间通信：线程同步机制可以用于实现线程间的通信，例如通过等待和唤醒机制（wait()、notify()、notifyAll()）来实现线程之间的交互和协作。
5. 线程安全的数据结构：Java提供了许多线程安全的数据结构，如 ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList 等，这些数据结构内部使用了线程同步机制来保证多线程环境下的数据一致性和安全性。
6. 并发任务的同步：有时候需要等待多个并发任务都执行完毕后再进行下一步操作，可以使用线程同步机制来实现任务的同步和等待。

线程同步在多线程编程中起着重要的作用，可以保证多个线程之间的协调和互斥，确保数据的正确性和一致性，在涉及到共享资源、数据交互、任务协作等场景下，合理地运用线程同步机制可以提高程序的并发性和稳定性。

四、线程同步面试题

1. 什么是线程同步？为什么需要线程同步？
2. Java 中如何实现线程同步？
3. synchronized 关键字和 ReentrantLock 类有什么区别？它们分别适用于什么场景？
4. synchronized 关键字有哪些使用方式？
5. synchronized 关键字和 volatile 关键字有什么区别？
6. 什么是线程安全？如何保证线程安全？
7. 什么是原子操作？Java 中有哪些原子操作类？
8. 什么是可见性问题？如何解决可见性问题？
9. 什么是线程间通信？Java 中有哪些线程间通信的方法？
10. 什么是死锁？如何避免死锁？

五、总结

本文讲解了 Java 中线程同步的语法和应用场景，并给出了样例代码，在下一篇博客中，将讲解 Java 的线程死锁问题。