java线程共享模型之管程（锁及其操作）

前言

管程是什么？

管程（Monitor）是一种高级的同步机制，它将共享数据和对这些数据的操作封装在一起，保证在某一时刻只有一个线程能够执行被管程保护的代码。换句话说，管程是一种对对象的同步控制，确保对象的所有操作都是线程安全的。

在 Java 中，管程的实现依赖于 对象锁 和 条件变量。每个对象都有一个与之关联的锁（monitor），以及与该锁相关联的 条件变量（如 wait()、notify()、notifyAll()）。这些机制共同工作，保证线程间的互斥和协作。

下面是一些该文的前置文章。

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1.线程与进程等基础概念一次理清

2. java中操作线程打断、创建、查看等基础方法的操作

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1. 共享带来的问题

1.1 问题演示

我们用一个代码来体现，共享可能带来的问题。

Thread t1 = new Thread(()-> {
   
   
    for(int i = 0; i < 5000; i ++ ) {
   
   
        count ++;
    }
}, "t1");
Thread t2 = new Thread(()-> {
   
   
    for(int i = 0; i < 5000; i ++ ) {
   
   
        count --;
    }
}, "t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
log.debug("count值为：{}", count);

上面的结果，理论上应该是0。但是最终结果却有可能是正数，有可能是负数，可能是0。

三次运行的结果：

1.2 问题分析

• 之所以出现这个问题，是为什么呢？那是因为Java中对于静态变量的自增和自减操作不是原子操作，因此需要从jvm字节码的角度来分析。

• 如果是单线程执行的话，不会有任何交错的问题产生，如图：

• 但是多线程情况下有可能出现交错运行，导致出错的情况：

1.3 结论

之所以出现结果不同的情况，根本原因是，线程之间上下文切换导致的指令交错，最终使得结果不同。

1.4 临界区

• 一个程序运行多个线程没有问题
• 问题出在多个线程访问共享资源
  • 共同访问也没啥问题
  • 但是多个线程对共享资源访问，产生指令交错，就会出现问题。
• 一段代码块如果存在对共享资源的多线程读写操作，就称这段代码块为临界区。

eg，下面代码中的临界区：

static int count = 0;

static void increment() {
   
   
    // 临界区
    count ++;
}
static void decrement() {
   
   
    // 临界区
    count --;
}

1.5 竞态条件

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。

2. synchronized解决方案

• 阻塞式解决方案 ： synchronized、Lock
• 非阻塞式解决方案：原子变量

2.1 synchronized

• synchronized : 即 “对象锁”。

​ 它通过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】，其他线程想再获得这个【对象锁】时就会被阻塞住。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的切换。

语法

synchronized (对象) {
   
    // 线程1、线程2（blocked）
    //临界区
}

解决

static int count = 0;

static Object object = new Object();

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
   
   
    Thread t1 = new Thread(()-> {
   
   
        for(int i = 0; i < 5000; i ++ ) {
   
   
            synchronized (object) {
   
   
                count ++;
            }
        }
    }, "t1");
    Thread t2 = new Thread(()-> {
   
   
        for(int i = 0; i < 5000; i ++ ) {
   
   
            synchronized (object) {
   
   
                count --;
            }
        }
    }, "t2");
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    log.debug("count值为：{}", count)