Java --- 线程同步和异步的区别

本文深入探讨Java中线程同步的重要性及其实现方法,包括同步与异步的区别、线程池的作用、关键字的含义以及如何正确使用synchronized、volatile等关键字确保线程间的正确通信。

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1. Java 线程 同步与异步

多线程并发时,多个线程同时请求同一个资源,必然导致此资源的数据不安全,A线程修改了B线程的处理的数据,而B线程又修改了A线程处理的数理。显然这是由于全局资源造成的,有时为了解决此问题,优先考虑使用局部变量,退而求其次使用同步代码块,出于这样的安全考虑就必须牺牲系统处理性能,加在多线程并发时资源挣夺最激烈的地方,这就实现了线程的同步机制

1.1 同步

A线程要请求某个资源,但是此资源正在被B线程使用中,因为同步机制存在,A线程请求不到,怎么办,A线程只能等待下去

1.2 异步

A线程要请求某个资源,但是此资源正在被B线程使用中,因为没有同步机制存在,A线程仍然请求的到,A线程无需等待

1.3 特点

显然,同步最最安全,最保险的。而异步不安全,容易导致死锁,这样一个线程死掉就会导致整个进程崩溃,但没有同步机制的存在,性能会有所提升

1.4 线程池

要知道在计算机中任何资源的创建,包括线程,都需要消耗系统资源的。在WEB服务中,对于web服务器的响应速度必须要尽可能的快,这就容不得每次在用户提交请求按钮后,再创建线程提供服务。 为了减少用户的等待时间,线程必须预先创建,放在线程池中,线程池可以用HashTable这种数据结构来实现,看了Apach HTTP服务器的线程池的源代码,用是就是HashTable,KEY用线程对象value 用ControlRunnable,ControlRunnable是线程池中唯一能干活的线程,是它指派线程池中的线程对外提供服务。出于安全考虑,Apach HTTP服务器的线程池它是同步的。听说weblogic有异步的实现方式,没有研究过,不敢确定

2. 关键字

thread(线程)、thread-safe(线程安全)、intercurrent(并发的)
synchronized(同步的)、asynchronized(异步的)、
volatile(易变的)、atomic(原子的)、share(共享)

3. 什么时候必须同步?什么叫同步?如何同步?

要跨线程维护正确的可见性,只要在几个线程之间共享非 final 变量,就必须使用synchronized(或 volatile)以确保一个线程可以看见另一个线程做的更改

为了在线程之间进行可靠的通信,也为了互斥访问,同步是必须的。这归因于java语言规范的内存模型,它规定了:一个线程所做的变化何时以及如何变成对其它线程可见。

因为多线程将异步行为引进程序,所以在需要同步时,必须有一种方法强制进行。例如:如果2个线程想要通信并且要共享一个复杂的数据结构,如链表,此时需要确保它们互不冲突,也就是必须阻止B线程在A线程读数据的过程中向链表里面写数据(A获得了锁,B必须等A释放了该锁)。

为了达到这个目的,java在一个旧的的进程同步模型——监控器(Monitor)的基础上实现了一个巧妙的方案:监控器是一个控制机制,可以认为是一个很小的、只能容纳一个线程的盒子,一旦一个线程进入监控器,其它的线程必须等待,直到那个线程退出监控为止。通过这种方式,一个监控器可以保证共享资源在同一时刻只可被一个线程使用。这种方式称之为同步。(一旦一个线程进入一个实例的任何同步方法,别的线程将不能进入该同一实例的其它同步方法,但是该实例的非同步方法仍然能够被调用)。

同步和多线程关系:没多线程环境就不需要同步;有多线程环境也不一定需要同步。

锁提供了两种主要特性:互斥(mutual exclusion) 和可见性(visibility)。

互斥 即一次只允许一个线程持有某个特定的锁,因此可使用该特性实现对共享数据的协调访问协议,这样,一次就只有一个线程能够使用该共享数据。

可见性要更加复杂一些,它必须确保释放锁之前对共享数据做出的更改对于随后获得该锁的另一个线程是可见的 —— 如果没有同步机制提供的这种可见性保证,线程看到的共享变量可能是修改前的值或不一致的值,这将引发许多严重问题

小结:为了防止多个线程并发对同一数据的修改,所以需要同步,否则会造成数据不一致(就是所谓的:线程安全。如java集合框架中Hashtable和Vector是线程安全的。我们的大部分程序都不是线程安全的,因为没有进行同步,而且我们没有必要,因为大部分情况根本没有多线程环境)。

4. 不要搞混了:同步、异步

举个例子:普通B/S模式(同步)AJAX技术(异步)

  • 同步:提交请求->等待服务器处理->处理完返回 这个期间客户端浏览器不能干任何事
  • 异步:请求通过事件触发->服务器处理(这是浏览器仍然可以作其他事情)->处理完毕
  • 可见,彼“同步”非此“同步”——我们说的java中的那个共享数据同步(synchronized)
    一个同步的对象是指行为(动作),一个是同步的对象是指物质(共享数据)。

5. Java同步机制有4种实现方式

  • ThreadLocal
  • synchronized( )
  • wait() 与 notify()
  • volatile

目的:都是为了解决多线程中的对同一变量的访问冲突

5.1 ThreadLocal

ThreadLocal 保证不同线程拥有不同实例,相同线程一定拥有相同的实例,即为每一个使用该变量的线程提供一个该变量值的副本,每一个线程都可以独立改变自己的副本,而不是与其它线程的副本冲突。

优势:提供了线程安全的共享对象与其它同步机制的区别:同步机制是为了同步多个线程对相同资源的并发访问,是为了多个线程之间进行通信;而ThreadLocal 是隔离多个线程的数据共享,从根本上就不在多个线程之间共享资源,这样当然不需要多个线程进行同步了。

5.2 volatile

volatile 修饰的成员变量在每次被线程访问时,都强迫从共享内存中重读该成员变量的值。而且当成员变量发生变化时,强迫线程将变化值回写到共享内存。

优势:这样在任何时刻,两个不同的线程总是看到某个成员变量的同一个值。

缘由:Java 语言规范中指出,为了获得最佳速度,允许线程保存共享成员变量的私有拷贝,而且只当线程进入或者离开同步代码块时才与共享成员变量的原始值对比。这样当多个线程同时与某个对象交互时,就必须要注意到要让线程及时的得到共享成员变量的变化。而 volatile 关键字就是提示 VM :对于这个成员变量不能保存它的私有拷贝,而应直接与共享成员变量交互。

使用技巧:在两个或者更多的线程访问的成员变量上使用 volatile 。当要访问的变量已在synchronized 代码块中,或者为常量时,不必使用。

线程为了提高效率,将某成员变量(如A)拷贝了一份(如B),线程中对A的访问其实访问的是B。只在某些动作时才进行A和B的同步,因此存在A和B不一致的情况。volatile就是用来避免这种情况的。 volatile告诉jvm,它所修饰的变量不保留拷贝,直接访问主内存中的(读操作多时使用较好;线程间需要通信,本条做不到)

Volatile 变量具有 synchronized 的可见性特性,但是不具备原子特性。这就是说线程能够自动发现 volatile 变量的最新值。Volatile 变量可用于提供线程安全,但是只能应用于非常有限的一组用例:多个变量之间或者某个变量的当前值与修改后值之间没有约束。

只能在有限的一些情形下使用 volatile 变量替代锁。要使 volatile 变量提供理
想的线程安全,必须同时满足下面两个条件:

  • 对变量的写操作不依赖于当前值;
  • 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

5.3 sleep() vs wait()

sleep是线程类(Thread)的方法,导致此线程暂停执行指定时间,把执行机会给其他线程,但是监控状态依然保持,到时后会自动恢复。调用sleep不会释放对象锁。

wait() 是Object类的方法,对此对象调用wait方法导致本线程放弃对象锁,进入等待此对象的等待锁定池,只有针对此对象发出notify方法(或notifyAll)后本线程才进入对象锁定池准备获得对象锁进入运行状态。
(如果变量被声明为volatile,在每次访问时都会和主存一致;如果变量在同步方法或者同步块中被访问,当在方法或者块的入口处获得锁以及方法或者块退出时释放锁时变量被同步。)

<think>首先,用户的问题是:“我想理解Java同步线程异步线程的概念及使用 请问Java 同步线程异步线程区别实现方法”。这基于系统级指令,我需要用中文回答。 系统级指令: 1. 行内数学表达式用$...$,例如:$x^2$。但在这个主题中,可能没有数学表达式,所以我应该只在必要时使用。 2. 独立公式用$$...$$并单独成段。 3. LaTeX语法正确。 4. 使用中文回答。 5. 生成相关问题。 6. 回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识,例如:[^1] 用户可见层: - 回答结构清晰,帮助用户逐步解决问题。 - 保证回答真实可靠。 - 参考站内引用:引用[1], [2], [3], [4]。这些是关于Java线程同步异步的引用,我需要参考它们来回答问题。 引用内容: - [^1]: 线程同步异步的基本概念,同步是按顺序执行。 - [^2]: 异步执行意味着并行执行,互不干扰;注意事项如线程安全。 - [^3]: 使用Thread类实现异步运行的示例。 - [^4]: 同步异步的定义、实现方式、适用场景、特点等。 用户的问题是关于Java同步线程异步线程区别实现方法。我需要基于引用内容构建回答。 回答结构: 1. **介绍概念**:解释同步异步的基本概念。 2. **区别**:详细说明同步异步的关键区别。 3. **实现方法**:描述如何在Java中实现同步异步。 4. **使用场景**:讨论何时使用同步异步。 5. **总结**:简要总结。 6. **相关问题**:生成相关问题。 确保语言清晰、逐步解释。 生成相关问题:在回答末尾,添加§§相关问题§§部分,列出几个相关问题。 现在,构建回答大纲: - **开头**:直接回应用户问题,介绍主题。 - **概念部分**:定义同步异步- 同步:任务按顺序执行,前一个任务完成前,后一个任务必须等待。 - 异步:任务可并发执行,调用后立即返回,无需等待结果。 - **区别**: - 执行顺序:同步是顺序的,异步是并行的。 - 线程阻塞:同步导致阻塞,异步是非阻塞的。 - 性能:同步可能降低并发效率,异步提高响应速度。 - 复杂度:同步更简单但可能死锁,异步需要处理回调或轮询。 - **实现方法**: - 同步使用synchronized关键字、Lock接口、同步代码块。 - 异步使用Thread类、CompletableFuture、线程池、回调机制。 - **使用场景**: - 同步:共享资源访问、需要严格线程安全。 - 异步:耗时操作如I/O、提高吞吐量。 - **示例代码**:基于引用,提供简单代码片段。 - 同步示例:如synchronized方法。 - 异步示例:如使用CompletableFuture或Thread。 - **总结**:重申关键点。 - **相关问题**:生成3-5个相关问题。 在回答中,自然地添加引用标识。例如,当提到概念时,添加[^1],当提到异步实现时添加[^3]等。 最后,生成相关问题: 1. Java中如何避免线程死锁? 2. 使用CompletableFuture处理异步任务的常见模式? 3. 同步异步在Web应用中的应用场景? 4. 如何测试多线程应用的线程安全性? 确保回答真实可靠,基于标准Java知识。</think>### Java同步线程异步线程的概念、区别及实现方法 在Java并发编程中,同步线程异步线程是两种核心的任务执行模式,它们决定了线程之间的协作方式。同步强调顺序执行线程阻塞,而异步注重并发执行非阻塞行为。下面我将逐步解释概念、关键区别、实现方法及使用场景,确保回答基于可靠知识(参考Java官方文档常见实践)。回答中涉及代码示例时,我会使用行内注释说明。 #### 1. **基本概念** - **同步线程(Synchronous)**:任务按严格顺序执行,前一个任务未完成时,后续任务必须等待(阻塞)。这确保了操作的原子性一致性,常用于共享资源访问[^1]。例如,在银行转账场景中,多个线程同时修改账户余额时,同步机制防止数据竞争。 - **异步线程(Asynchronous)**:任务可并行执行,调用后立即返回,不阻塞当前线程。结果通过回调或轮询机制处理,适用于耗时操作(如网络请求),以提高程序响应速度[^2][^4]。例如,在Web服务器中,异步处理用户请求时,主线程继续接收新请求,而不等待耗时操作完成。 #### 2. **关键区别** 同步异步的核心区别在于执行控制、线程行为适用性。以下是主要对比点: | 特性 | 同步线程 | 异步线程 | |--------------|----------------------------------------------|----------------------------------------------| | **执行顺序** | 顺序执行,任务排队(前一个完成才启动下一个) | 并发执行,任务可并行运行 | | **线程阻塞** | 调用线程阻塞,直到任务完成 | 非阻塞,调用后立即返回,后台处理任务 | | **性能影响** | 可能降低并发效率(线程等待导致资源闲置) | 提高吞吐量响应速度(资源利用率高) | | **复杂度** | 简单易用,但可能引发死锁或资源竞争 | 需处理回调、Future或线程池,编程复杂度较高 | | **适用场景** | 共享资源操作(如数据库更新)、需强一致性 | 耗时I/O操作(如文件读写)、高并发服务 | 这些区别源于线程调度机制:同步依赖锁(如synchronized)强制串行化,而异步通过多线程异步API实现并行[^4]。 #### 3. **实现方法** Java提供了多种方式实现同步异步。以下示例基于标准Java API(如synchronized、Thread、CompletableFuture),确保代码简洁且可运行。 - **同步线程的实现** 使用`synchronized`关键字、`Lock`接口或同步代码块来保证线程安全。 ```java public class SynchronizedExample { private int count = 0; // 共享资源 // 同步方法:同一时刻仅一个线程可执行 public synchronized void increment() { count++; // 操作共享变量 } public static void main(String[] args) { SynchronizedExample example = new SynchronizedExample(); // 创建多个线程调用同步方法 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.increment(); } }); t1.start(); t2.start(); try { t1.join(); // 等待线程完成 t2.join(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("Final count: " + example.count); // 输出应为2000,无数据竞争 } } ``` **说明**:`synchronized`修饰方法时,线程进入方法前获取对象锁,其他线程阻塞等待。这适用于计数器、缓存更新等场景[^1][^4]。 - **异步线程的实现** 使用`Thread`类、`CompletableFuture`或线程池(如`ExecutorService`)实现非阻塞执行。 ```java import java.util.concurrent.CompletableFuture; import java.util.concurrent.ExecutionException; public class AsynchronousExample { // 异步任务:模拟耗时操作(如网络请求) public static String fetchData() { try { Thread.sleep(2000); // 模拟2秒延迟 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return "Data fetched!"; } public static void main(String[] args) { // 使用CompletableFuture实现异步 CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> fetchData()); System.out.println("Main thread continues..."); // 主线程不阻塞 // 回调处理结果(非阻塞方式) future.thenAccept(result -> System.out.println("Result: " + result)); // 主线程可执行其他任务 try { Thread.sleep(3000); // 等待异步任务完成(实际中可用future.get()阻塞等待) } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } ``` **说明**:`CompletableFuture.supplyAsync`在后台线程执行任务,主线程立即继续。回调函数`thenAccept`处理结果,避免阻塞。注意线程安全问题:如果多个异步任务共享资源,需添加同步机制[^2][^3][^4]。 #### 4. **使用场景** - **同步适用场景**:当操作需要严格顺序原子性时,例如: - 修改共享变量(如全局计数器)。 - 数据库事务处理(避免脏读)。 - 多线程访问临界资源(如文件锁)[^1][^4]。 - **异步适用场景**:当需要高响应性或并行处理时,例如: - 网络请求或文件I/O(不阻塞UI线程)。 - 批量任务处理(如日志写入)。 - 微服务架构中的非阻塞调用[^2][^4]。 **注意事项**: - 同步中,过度使用锁可能导致死锁(如线程A等待B,B等待A),需通过锁超时或顺序获取避免。 - 异步中,回调地狱(嵌套回调)可通过`CompletableFuture`链式调用简化,但需处理异常(如`exceptionally`方法)[^4]。 - 性能权衡:同步在低并发下简单高效,异步在高并发下优势明显(参考Amdahl定律:$T_{\text{parallel}} = T_{\text{serial}}} / P + T_{\text{overhead}}}$,其中$P$为并行度)[^4]。 #### 5. **总结** 同步线程通过阻塞确保安全性顺序性,适用于共享资源操作;异步线程通过非阻塞提升并发性能,适用于耗时任务。实现上,同步常用`synchronized`或`Lock`,异步推荐`CompletableFuture`或线程池。正确选择取决于应用需求:优先同步以保证数据一致性,优先异步以优化响应速度[^1][^2][^3][^4]。
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