并发编程系列教程(02) - 多线程安全

简介: 并发编程系列教程(02) - 多线程安全

文章涉及到的代码已上传到Github,有兴趣的同学可以参考下(https://github.com/ylw-github/Java-ThreadDemo)

1. 什么是线程安全

当多个线程同时共享时,全局变量或静态变量,做写操作时,可能会发生数据冲突的过程,也就是线程安全的问题。但是做读操作是不会发生数据冲突问题。

案例:需求现在有100张火车票,有两个窗口同时抢火车票,请使用多线程模拟抢票效果。

package com.ylw.thread;
public class ThreadSafeDemo {
    public static class ThreadTrain implements Runnable {
        private int trainCount = 100;
        @Override
        public void run() {
            while (trainCount > 0) {
                try {
                    Thread.sleep(50);
                } catch (Exception e) {
                }
                sale();
            }
        }
        public void sale() {
            if (trainCount > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
                trainCount--;
            }
        }
        public static void main(String[] args) {
            ThreadTrain threadTrain = new ThreadTrain();
            Thread t1 = new Thread(threadTrain, "①号");
            Thread t2 = new Thread(threadTrain, "②号");
            t1.start();
            t2.start();
        }
    }
}

运行结果:

一号窗口和二号窗口同时出售火车第九十五张,部分火车票会重复出售。

结论发现,多个线程共享同一个全局成员变量时,做写的操作可能会发生数据冲突问题。

2. 线程安全的解决方法

问:如何解决多线程之间线程安全问题

答:使用多线程之间同步synchronized或使用锁(lock)。


问:为什么使用线程同步或使用锁能解决线程安全问题呢?

答:将可能会发生数据冲突问题(线程不安全问题),只能让当前一个线程进行执行。代码执行完成后释放锁,让后才能让其他线程进行执行。这样的话就可以解决线程不安全问题。


问:什么是多线程之间同步

答:当多个线程共享同一个资源,不会受到其他线程的干扰。


问:什么是多线程同步

答:当多个线程共享同一个资源,不会受到其他线程的干扰。

2.1 内置的锁

Java提供了一种内置的锁机制来支持原子性

每一个Java对象都可以用作一个实现同步的锁,称为内置锁,线程进入同步代码块之前自动获取到锁,代码块执行完成正常退出或代码块中抛出异常退出时会释放掉锁。

内置锁为互斥锁,即线程A获取到锁后,线程B阻塞直到线程A释放锁,线程B才能获取到同一个锁。

内置锁使用synchronized关键字实现,synchronized关键字有两种用法:

  1. 修饰需要进行同步的方法(所有访问状态变量的方法都必须进行同步),此时充当锁的对象为调用同步方法的对象
  2. 同步代码块和直接使用synchronized修饰需要同步的方法是一样的,但是锁的粒度可以更细,并且充当锁的对象不一定是this,也可以是其它对象,所以使用起来更加灵活
2.2 同步代码块synchronized
就是将可能会发生线程安全问题的代码,给包括起来。
synchronized(同一个数据){
 可能会发生线程冲突问题
}
就是同步代码块 
synchronized(对象)//这个对象可以为任意对象 
{ 
    需要被同步的代码 
}

对象如同锁,持有锁的线程可以在同步中执行

没持有锁的线程即使获取CPU的执行权,也进不去

同步的前提:

  1. 必须要有两个或者两个以上的线程
  2. 必须是多个线程使用同一个锁

必须保证同步中只能有一个线程在运行

  • 好处: 解决了多线程的安全问题
  • 弊端: 多个线程需要判断锁,较为消耗资源、抢锁的资源。

代码样例:

public void sale() {
    synchronized (this) {
      if (trainCount > 0) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
        trainCount--;
      }
    }
  }
2.3 同步方法

什么是同步方法?

答:在方法上修饰synchronized 称为同步方法

代码样例:

public synchronized void sale() {
    if (trainCount > 0) {
      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
      trainCount--;
    }
  }

同步方法使用的是什么锁?

答:同步函数使用this锁。

证明方式: 一个线程使用同步代码块(this明锁),另一个线程使用同步函数。如果两个线程抢票不能实现同步,那么会出现数据错误。

代码:

package com.ylw.thread;
public class LockDemo {
    static class Thread009 implements Runnable {
        private int trainCount = 100;
        private Object oj = new Object();
        public boolean flag = true;
        public void run() {
            if (flag) {
                while (trainCount > 0) {
                    synchronized (this) {
                        try {
                            Thread.sleep(10);
                        } catch (Exception e) {
                            // TODO: handle exception
                        }
                        if (trainCount > 0) {
                            System.out
                                    .println(Thread.currentThread().getName() + "," + "出售第" + (100 - trainCount + 1) + "票");
                            trainCount--;
                        }
                    }
                }
            } else {
                while (trainCount > 0) {
                    sale();
                }
            }
        }
        public synchronized void sale() {
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (Exception e) {
                // TODO: handle exception
            }
            if (trainCount > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "," + "出售第" + (100 - trainCount + 1) + "票");
                trainCount--;
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread009 threadTrain = new Thread009();
        Thread t1 = new Thread(threadTrain, "窗口1");
        Thread t2 = new Thread(threadTrain, "窗口2");
        t1.start();
        Thread.sleep(40);
        threadTrain.flag = false;
        t2.start();
    }
}
2.4 静态同步函数

问:什么是静态同步函数?

答:方法上加上static关键字,使用synchronized 关键字修饰 或者使用类.class文件。

静态的同步函数使用的锁是 该函数所属字节码文件对象

可以用 getClass方法获取,也可以用当前 类名.class 表示。

代码样例:

public static void sale() {
    synchronized (ThreadTrain3.class) {
      if (trainCount > 0) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",出售第" + (100 - trainCount + 1) + "张票");
        trainCount--;
      }
    }
}

总结:

synchronized 修饰方法使用锁是当前this锁。

synchronized 修饰静态方法使用锁是当前类的字节码文件

3.多线程死锁

问:什么是多线程死锁?

答:同步中嵌套同步,导致锁无法释放

代码:

class Thread009 implements Runnable {
  private int trainCount = 100;
  private Object oj = new Object();
  public boolean flag = true;
  public void run() {
    if (flag) {
      while (trainCount > 0) {
        synchronized (oj) {
          try {
            Thread.sleep(10);
          } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
          }
          sale();
        }
      }
    } else {
      while (trainCount > 0) {
        sale();
      }
    }
  }
  public synchronized void sale() {
    synchronized (oj) {
      try {
        Thread.sleep(10);
      } catch (Exception e) {
      }
      if (trainCount > 0) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "," + "出售第" + (100 - trainCount + 1) + "票");
        trainCount--;
      }
    }
  }
}
public class Test009 {
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread009 threadTrain = new Thread009();
    Thread t1 = new Thread(threadTrain, "窗口1");
    Thread t2 = new Thread(threadTrain, "窗口2");
    t1.start();
    Thread.sleep(40);
    threadTrain.flag = false;
    t2.start();
  }
}}

4.ThreadLocal

ThreadLocal提高一个线程的局部变量,访问某个线程拥有自己局部变量。

当使用ThreadLocal维护变量时,ThreadLocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本,所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本,而不会影响其它线程所对应的副本。

4.1 ThreadLocal的接口方法:

ThreadLocal类接口很简单,只有4个方法,我们先来了解一下:

  • void set(Object value) 设置当前线程的线程局部变量的值。
  • public Object get() 该方法返回当前线程所对应的线程局部变量。
  • public void remove() 将当前线程局部变量的值删除,目的是为了减少内存的占用,该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是,当线程结束后,对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收,所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作,但它可以加快内存回收的速度。
  • protected Object initialValue() 返回该线程局部变量的初始值,该方法是一个protected的方法,显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法,在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行,并且仅执行1次。ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。
4.2 案例

创建三个线程,每个线程生成自己独立序列号,代码如下:

public class ThreadLocalDemo {
    public static class Res {
        // 生成序列号共享变量
        public static Integer count = 0;
        public static ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<Integer>() {
            protected Integer initialValue() {
                return 0;
            }
        };
        public Integer getNum() {
            int count = threadLocal.get() + 1;
            threadLocal.set(count);
            return count;
        }
    }
    public static class ThreadDemo extends Thread{
        private Res res;
        public ThreadDemo(Res res) {
            this.res = res;
        }
        @Override
        public void run() {
            super.run();
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "---" + "i---" + i + "--num:" + res.getNum());
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        Res res = new Res();
        ThreadDemo threadDemo = new ThreadDemo(res);
        ThreadDemo threadDemo1 = new ThreadDemo(res);
        ThreadDemo threadDemo2 = new ThreadDemo(res);
        threadDemo.start();
        threadDemo1.start();
        threadDemo2.start();
    }
}
4.1 ThreadLoca实现原理

ThreadLoca通过map集合

Map.put(“当前线程”,值);

5.多线程的三大特性

原子性、可见性、有序性

5.1 原子性

即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断,要么就都不执行。

一个很经典的例子就是银行账户转账问题:

比如从账户A向账户B转1000元,那么必然包括2个操作:从账户A减去1000元,往账户B加上1000元。这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。

我们操作数据也是如此,比如i = i+1;其中就包括,读取i的值,计算i,写入i。这行代码在Java中是不具备原子性的,则多线程运行肯定会出问题,所以也需要我们使用同步和lock这些东西来确保这个特性了。

原子性其实就是保证数据一致、线程安全一部分。

5.2 可见性

当多个线程访问同一个变量时,一个线程修改了这个变量的值,其他线程能够立即看得到修改的值。

若两个线程在不同的cpu,那么线程1改变了i的值还没刷新到主存,线程2又使用了i,那么这个i值肯定还是之前的,线程1对变量的修改线程没看到这就是可见性问题。

5.3 有序性

程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

一般来说处理器为了提高程序运行效率,可能会对输入代码进行优化,它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致,但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。如下:

int a = 10;    //语句1
int r = 2;    //语句2
a = a + 3;    //语句3
r = a*a;     //语句4

则因为重排序,他还可能执行顺序为 2-1-3-4,1-3-2-4

但绝不可能 2-1-4-3,因为这打破了依赖关系。

显然重排序对单线程运行是不会有任何问题,而多线程就不一定了,所以我们在多线程编程时就得考虑这个问题了。

总结

目录
相关文章
|
2月前
|
缓存 Java 开发者
Java多线程并发编程:同步机制与实践应用
本文深入探讨Java多线程中的同步机制,分析了多线程并发带来的数据不一致等问题,详细介绍了`synchronized`关键字、`ReentrantLock`显式锁及`ReentrantReadWriteLock`读写锁的应用,结合代码示例展示了如何有效解决竞态条件,提升程序性能与稳定性。
163 6
|
10天前
|
缓存 安全 Java
【JavaEE】——单例模式引起的多线程安全问题:“饿汉/懒汉”模式,及解决思路和方法(面试高频)
单例模式下,“饿汉模式”,“懒汉模式”,单例模式下引起的线程安全问题,解锁思路和解决方法
|
10天前
|
Java 调度
【JavaEE】——线程的安全问题和解决方式
【JavaEE】——线程的安全问题和解决方式。为什么多线程运行会有安全问题,解决线程安全问题的思路,synchronized关键字的运用,加锁机制,“锁竞争”,几个变式
|
2月前
|
并行计算 数据处理 调度
Python中的并发编程:探索多线程与多进程的奥秘####
本文深入探讨了Python中并发编程的两种主要方式——多线程与多进程,通过对比分析它们的工作原理、适用场景及性能差异,揭示了在不同应用需求下如何合理选择并发模型。文章首先简述了并发编程的基本概念,随后详细阐述了Python中多线程与多进程的实现机制,包括GIL(全局解释器锁)对多线程的影响以及多进程的独立内存空间特性。最后,通过实例演示了如何在Python项目中有效利用多线程和多进程提升程序性能。 ####
|
2月前
|
设计模式 安全 Java
Java 多线程并发编程
Java多线程并发编程是指在Java程序中使用多个线程同时执行,以提高程序的运行效率和响应速度。通过合理管理和调度线程,可以充分利用多核处理器资源,实现高效的任务处理。本内容将介绍Java多线程的基础概念、实现方式及常见问题解决方法。
99 0
|
3月前
|
数据挖掘 程序员 调度
探索Python的并发编程:线程与进程的实战应用
【10月更文挑战第4天】 本文深入探讨了Python中实现并发编程的两种主要方式——线程和进程,通过对比分析它们的特点、适用场景以及在实际编程中的应用,为读者提供清晰的指导。同时,文章还介绍了一些高级并发模型如协程,并给出了性能优化的建议。
42 3
|
4月前
|
负载均衡 Java 调度
探索Python的并发编程:线程与进程的比较与应用
本文旨在深入探讨Python中的并发编程,重点比较线程与进程的异同、适用场景及实现方法。通过分析GIL对线程并发的影响,以及进程间通信的成本,我们将揭示何时选择线程或进程更为合理。同时,文章将提供实用的代码示例,帮助读者更好地理解并运用这些概念,以提升多任务处理的效率和性能。
71 3
|
4月前
|
并行计算 API 调度
探索Python中的并发编程:线程与进程的对比分析
【9月更文挑战第21天】本文深入探讨了Python中并发编程的核心概念,通过直观的代码示例和清晰的逻辑推理,引导读者理解线程与进程在解决并发问题时的不同应用场景。我们将从基础理论出发,逐步过渡到实际案例分析,旨在揭示Python并发模型的内在机制,并比较它们在执行效率、资源占用和适用场景方面的差异。文章不仅适合初学者构建并发编程的基础认识,同时也为有经验的开发者提供深度思考的视角。
|
13天前
|
NoSQL Redis
单线程传奇Redis,为何引入多线程?
Redis 4.0 引入多线程支持,主要用于后台对象删除、处理阻塞命令和网络 I/O 等操作,以提高并发性和性能。尽管如此,Redis 仍保留单线程执行模型处理客户端请求,确保高效性和简单性。多线程仅用于优化后台任务,如异步删除过期对象和分担读写操作,从而提升整体性能。
38 1
|
3月前
|
存储 消息中间件 资源调度
C++ 多线程之初识多线程
这篇文章介绍了C++多线程的基本概念,包括进程和线程的定义、并发的实现方式,以及如何在C++中创建和管理线程,包括使用`std::thread`库、线程的join和detach方法,并通过示例代码展示了如何创建和使用多线程。
63 1