Java 多執行緒同步的五種方法
一、引言
前幾天面試，被大師虐殘了，好多基礎知識必須得重新拿起來啊。閒話不多說，進入正題。
二、為什麼要執行緒同步
因為當我們有多個執行緒要同時訪問一個變數或物件時，如果這些執行緒中既有讀又有寫操作時，就會導致變數值或物件的狀態出現混亂，從而導致程式異常。舉個例子，如果一個銀行賬戶同時被兩個執行緒操作，一個取100塊，一個存錢100塊。假設賬戶原本有0塊，如果取錢執行緒和存錢執行緒同時發生，會出現什麼結果呢？取錢不成功，賬戶餘額是100.取錢成功了，賬戶餘額是0.那到底是哪個呢？很難說清楚。因此多執行緒同步就是要解決這個問題。
三、不同步時的程式碼
Bank.java
package threadTest;
/**
* @author ww
*
*/
public class Bank {
private int count =0;//賬戶餘額
//存錢
public void addMoney(int money){
count +=money;
System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存進："+money);
}
//取錢
public void subMoney(int money){
if(count-money < 0){
System.out.println("餘額不足");
return;
}
count -=money;
System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
}
//查詢
public void lookMoney(){
System.out.println("賬戶餘額："+count);
}
}
SyncThreadTest.java
package threadTest;
public class SyncThreadTest {
public static void main(String args[]){
final Bank bank=new Bank();
Thread tadd=new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// TODO Auto-generated method stub
while(true){
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
bank.addMoney(100);
bank.lookMoney();
System.out.println("\n");
}
}
});
Thread tsub = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// TODO Auto-generated method stub
while(true){
bank.subMoney(100);
bank.lookMoney();
System.out.println("\n");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
}
});
tsub.start();
tadd.start();
}
}
程式碼很簡單，我就不解釋了，看看執行結果怎樣呢？擷取了其中的一部分，是不是很亂，有寫看不懂。
餘額不足 賬戶餘額：0 餘額不足 賬戶餘額：100 1441790503354存進：100 賬戶餘額：100 1441790504354存進：100 賬戶餘額：100 1441790504354取出：100 賬戶餘額：100 1441790505355存進：100 賬戶餘額：100 1441790505355取出：100 賬戶餘額：100
四、使用同步時的程式碼
（1）同步方法：
即有synchronized關鍵字修飾的方法。 由於java的每個物件都有一個內建鎖，當用此關鍵字修飾方法時，內建鎖會保護整個方法。在呼叫該方法前，需要獲得內建鎖，否則就處於阻塞狀態。
修改後的Bank.java
package threadTest;
/**
* @author ww
*
*/
public class Bank {
private int count =0;//賬戶餘額
//存錢
public synchronized void addMoney(int money){
count +=money;
System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存進："+money);
}
//取錢
public synchronized void subMoney(int money){
if(count-money < 0){
System.out.println("餘額不足");
return;
}
count -=money;
System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
}
//查詢
public void lookMoney(){
System.out.println("賬戶餘額："+count);
}
}
再看看執行結果：
餘額不足 賬戶餘額：0 餘額不足 賬戶餘額：0 1441790837380存進：100 賬戶餘額：100 1441790838380取出：100 賬戶餘額：0 1441790838380存進：100 賬戶餘額：100 1441790839381取出：100 賬戶餘額：0
瞬間感覺可以理解了吧。
注： synchronized關鍵字也可以修飾靜態方法，此時如果呼叫該靜態方法，將會鎖住整個類
（2）同步程式碼塊
即有synchronized關鍵字修飾的語句塊。被該關鍵字修飾的語句塊會自動被加上內建鎖，從而實現同步
Bank.java程式碼如下：
package threadTest;
/**
* @author ww
*
*/
public class Bank {
private int count =0;//賬戶餘額
//存錢
public void addMoney(int money){
synchronized (this) {
count +=money;
}
System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存進："+money);
}
//取錢
public void subMoney(int money){
synchronized (this) {
if(count-money < 0){
System.out.println("餘額不足");
return;
}
count -=money;
}
System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
}
//查詢
public void lookMoney(){
System.out.println("賬戶餘額："+count);
}
}
執行結果如下：
餘額不足 賬戶餘額：0 1441791806699存進：100 賬戶餘額：100 1441791806700取出：100 賬戶餘額：0 1441791807699存進：100 賬戶餘額：100
效果和方法一差不多。
注：同步是一種高開銷的操作，因此應該儘量減少同步的內容。通常沒有必要同步整個方法，使用synchronized程式碼塊同步關鍵程式碼即可。
（3）使用特殊域變數(Volatile)實現執行緒同步
a.volatile關鍵字為域變數的訪問提供了一種免鎖機制
b.使用volatile修飾域相當於告訴虛擬機器該域可能會被其他執行緒更新
c.因此每次使用該域就要重新計算，而不是使用暫存器中的值
d.volatile不會提供任何原子操作，它也不能用來修飾final型別的變數
Bank.java程式碼如下：
package threadTest;
/**
* @author ww
*
*/
public class Bank {
private volatile int count = 0;// 賬戶餘額
// 存錢
public void addMoney(int money) {
count += money;
System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存進：" + money);
}
// 取錢
public void subMoney(int money) {
if (count - money < 0) {
System.out.println("餘額不足");
return;
}
count -= money;
System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money);
}
// 查詢
public void lookMoney() {
System.out.println("賬戶餘額：" + count);
}
}
執行效果怎樣呢？
餘額不足 賬戶餘額：0 餘額不足 賬戶餘額：100 1441792010959存進：100 賬戶餘額：100 1441792011960取出：100 賬戶餘額：0 1441792011961存進：100 賬戶餘額：100
是不是又看不懂了，又亂了。這是為什麼呢？就是因為volatile不能保證原子操作導致的，因此volatile不能代替synchronized。此外volatile會組織編譯器對程式碼優化，因此能不使用它就不適用它吧。它的原理是每次要執行緒要訪問volatile修飾的變數時都是從記憶體中讀取，而不是存快取當中讀取，因此每個執行緒訪問到的變數值都是一樣的。這樣就保證了同步。
（4）使用重入鎖實現執行緒同步
在JavaSE5.0中新增了一個java.util.concurrent包來支援同步。ReentrantLock類是可重入、互斥、實現了Lock介面的鎖， 它與使用synchronized方法和快具有相同的基本行為和語義，並且擴充套件了其能力。
ReenreantLock類的常用方法有：
ReentrantLock() : 建立一個ReentrantLock例項
lock() : 獲得鎖
unlock() : 釋放鎖
注：ReentrantLock()還有一個可以建立公平鎖的構造方法，但由於能大幅度降低程式執行效率，不推薦使用
Bank.java程式碼修改如下：
package threadTest;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* @author ww
*
*/
public class Bank {
private int count = 0;// 賬戶餘額
//需要宣告這個鎖
private Lock lock = new ReentrantLock();
// 存錢
public void addMoney(int money) {
lock.lock();//上鎖
try{
count += money;
System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存進：" + money);
}finally{
lock.unlock();//解鎖
}
}
// 取錢
public void subMoney(int money) {
lock.lock();
try{
if (count - money < 0) {
System.out.println("餘額不足");
return;
}
count -= money;
System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money);
}finally{
lock.unlock();
}
}
// 查詢
public void lookMoney() {
System.out.println("賬戶餘額：" + count);
}
}
執行效果怎麼樣呢？
餘額不足 賬戶餘額：0 餘額不足 賬戶餘額：0 1441792891934存進：100 賬戶餘額：100 1441792892935存進：100 賬戶餘額：200 1441792892954取出：100 賬戶餘額：100
效果和前兩種方法差不多。
如果synchronized關鍵字能滿足使用者的需求，就用synchronized，因為它能簡化程式碼 。如果需要更高階的功能，就用ReentrantLock類，此時要注意及時釋放鎖，否則會出現死鎖，通常在finally程式碼釋放鎖
（5）使用區域性變數實現執行緒同步
Bank.java程式碼如下：
package threadTest;
/**
* @author ww
*
*/
public class Bank {
private static ThreadLocal<Integer> count = new ThreadLocal<Integer>(){
@Override
protected Integer initialValue() {
// TODO Auto-generated method stub
return 0;
}
};
// 存錢
public void addMoney(int money) {
count.set(count.get()+money);
System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存進：" + money);
}
// 取錢
public void subMoney(int money) {
if (count.get() - money < 0) {
System.out.println("餘額不足");
return;
}
count.set(count.get()- money);
System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money);
}
// 查詢
public void lookMoney() {
System.out.println("賬戶餘額：" + count.get());
}
}
執行效果：
餘額不足 賬戶餘額：0 餘額不足 賬戶餘額：0 1441794247939存進：100 賬戶餘額：100 餘額不足 1441794248940存進：100 賬戶餘額：0 賬戶餘額：200 餘額不足 賬戶餘額：0 1441794249941存進：100 賬戶餘額：300
看了執行效果，一開始一頭霧水，怎麼只讓存，不讓取啊？看看ThreadLocal的原理：
如果使用ThreadLocal管理變數，則每一個使用該變數的執行緒都獲得該變數的副本，副本之間相互獨立，這樣每一個執行緒都可以隨意修改自己的變數副本，而不會對其他執行緒產生影響。現在明白了吧，原來每個執行緒執行的都是一個副本，也就是說存錢和取錢是兩個賬戶，知識名字相同而已。所以就會發生上面的效果。
ThreadLocal與同步機制
a.ThreadLocal與同步機制都是為了解決多執行緒中相同變數的訪問衝突問題
b.前者採用以”空間換時間”的方法，後者採用以”時間換空間”的方式
現在都明白了吧。各有優劣，各有適用場景。手工，吃飯去了。
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