本文深入探讨Java线程同步机制，包括同步方法、同步代码块、使用volatile、ReentrantLock等实现方式，以及如何利用阻塞队列和原子变量解决多线程安全问题。
* Java线程：线程的同步
*
* @author leizhimin 2009-11-4 11:23:32
*/
public class Test {
public static void main(String[] args) {
User u = new User( "张三", 100);
MyThread t1 = new MyThread( "线程A", u, 20);
MyThread t2 = new MyThread( "线程B", u, -60);
MyThread t3 = new MyThread( "线程C", u, -80);
MyThread t4 = new MyThread( "线程D", u, -30);
MyThread t5 = new MyThread( "线程E", u, 32);
MyThread t6 = new MyThread( "线程F", u, 21);
t1.start();
t2.start();
t3.start();
t4.start();
t5.start();
t6.start();
}
}
class MyThread extends Thread {
private User u;
private int y = 0;
MyThread(String name, User u, int y) {
super(name);
this.u = u;
this.y = y;
}
public void run() {
u.oper(y);
}
}
class User {
private String code;
private int cash;
User(String code, int cash) {
this.code = code;
this.cash = cash;
}
public String getCode() {
return code;
}
public void setCode(String code) {
this.code = code;
}
/**
* 业务方法
* @param x 添加x万元
*/
public synchronized void oper( int x) {
try {
Thread.sleep(10L);
this.cash += x;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "运行结束，增加“" + x + "”，当前用户账户余额为：" + cash);
Thread.sleep(10L);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
@Override
public String toString() {
return "User{" +
"code='" + code + '\'' +
", cash=" + cash +
'}';
}
}
线程F运行结束，增加“21”，当前用户账户余额为：141
线程E运行结束，增加“32”，当前用户账户余额为：173
线程C运行结束，增加“-80”，当前用户账户余额为：93
线程B运行结束，增加“-60”，当前用户账户余额为：33
线程D运行结束，增加“-30”，当前用户账户余额为：3
Process finished with exit code 0
线程D运行结束，增加“-30”，当前用户账户余额为：63
线程B运行结束，增加“-60”，当前用户账户余额为：3
线程F运行结束，增加“21”，当前用户账户余额为：61
线程E运行结束，增加“32”，当前用户账户余额为：93
线程C运行结束，增加“-80”，当前用户账户余额为：61
Process finished with exit code 0
唤醒在此对象监视器上等待的单个线程。
void notifyAll()
唤醒在此对象监视器上等待的所有线程。
void wait()
导致当前的线程等待，直到其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法。
void wait( long timeout)
导致当前的线程等待，直到其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法，或者超过指定的时间量。
void wait( long timeout, int nanos)
导致当前的线程等待，直到其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法，或者其他某个线程中断当前线程，或者已超过某个实际时间量。
为何要使用同步？
java允许多线程并发控制，当多个线程同时操作一个可共享的资源变量时（如数据的增删改查），
将会导致数据不准确，相互之间产生冲突，因此加入同步锁以避免在该线程没有完成操作之前，被其他线程的调用，
从而保证了该变量的唯一性和准确性。
1.同步方法
即有synchronized关键字修饰的方法。
由于java的每个对象都有一个内置锁，当用此关键字修饰方法时，
内置锁会保护整个方法。在调用该方法前，需要获得内置锁，否则就处于阻塞状态。
代码如：
public synchronized void save(){}
注： synchronized关键字也可以修饰静态方法，此时如果调用该静态方法，将会锁住整个类
2.同步代码块
即有synchronized关键字修饰的语句块。
被该关键字修饰的语句块会自动被加上内置锁，从而实现同步
代码如：
synchronized(object){
}
注：同步是一种高开销的操作，因此应该尽量减少同步的内容。
通常没有必要同步整个方法，使用synchronized代码块同步关键代码即可。
代码实例：
package com.xhj.thread; /** * 线程同步的运用 * * @author XIEHEJUN * */ public class SynchronizedThread { class Bank { private int account = 100; public int getAccount() { return account; } /** * 用同步方法实现 * * @param money */ public synchronized void save(int money) { account += money; } /** * 用同步代码块实现 * * @param money */ public void save1(int money) { synchronized (this) { account += money; } } } class NewThread implements Runnable { private Bank bank; public NewThread(Bank bank) { this.bank = bank; } @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { // bank.save1(10); bank.save(10); System.out.println(i + "账户余额为：" + bank.getAccount()); } } } /** * 建立线程，调用内部类 */ public void useThread() { Bank bank = new Bank(); NewThread new_thread = new NewThread(bank); System.out.println("线程1"); Thread thread1 = new Thread(new_thread); thread1.start(); System.out.println("线程2"); Thread thread2 = new Thread(new_thread); thread2.start(); } public static void main(String[] args) { SynchronizedThread st = new SynchronizedThread(); st.useThread(); } }
3.使用特殊域变量(volatile)实现线程同步
a.volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制，
b.使用volatile修饰域相当于告诉虚拟机该域可能会被其他线程更新，
c.因此每次使用该域就要重新计算，而不是使用寄存器中的值
d.volatile不会提供任何原子操作，它也不能用来修饰final类型的变量
例如：
在上面的例子当中，只需在account前面加上volatile修饰，即可实现线程同步。
代码实例：
//只给出要修改的代码，其余代码与上同 class Bank { //需要同步的变量加上volatile private volatile int account = 100; public int getAccount() { return account; } //这里不再需要synchronized public void save(int money) { account += money; } ｝
注：多线程中的非同步问题主要出现在对域的读写上，如果让域自身避免这个问题，则就不需要修改操作该域的方法。
用final域，有锁保护的域和volatile域可以避免非同步的问题。
4.使用重入锁实现线程同步
在JavaSE5.0中新增了一个java.util.concurrent包来支持同步。
ReentrantLock类是可重入、互斥、实现了Lock接口的锁，
它与使用synchronized方法和快具有相同的基本行为和语义，并且扩展了其能力
ReenreantLock类的常用方法有：
ReentrantLock() : 创建一个ReentrantLock实例
lock() : 获得锁
unlock() : 释放锁
注：ReentrantLock()还有一个可以创建公平锁的构造方法，但由于能大幅度降低程序运行效率，不推荐使用
例如：
在上面例子的基础上，改写后的代码为:
代码实例：
//只给出要修改的代码，其余代码与上同 class Bank { private int account = 100; //需要声明这个锁 private Lock lock = new ReentrantLock(); public int getAccount() { return account; } //这里不再需要synchronized public void save(int money) { lock.lock(); try{ account += money; }finally{ lock.unlock(); } } ｝
注：关于Lock对象和synchronized关键字的选择：
a.最好两个都不用，使用一种java.util.concurrent包提供的机制，
能够帮助用户处理所有与锁相关的代码。
b.如果synchronized关键字能满足用户的需求，就用synchronized，因为它能简化代码
c.如果需要更高级的功能，就用ReentrantLock类，此时要注意及时释放锁，否则会出现死锁，通常在finally代码释放锁
5.使用局部变量实现线程同步
如果使用ThreadLocal管理变量，则每一个使用该变量的线程都获得该变量的副本，
副本之间相互独立，这样每一个线程都可以随意修改自己的变量副本，而不会对其他线程产生影响。
ThreadLocal 类的常用方法
ThreadLocal() : 创建一个线程本地变量
get() : 返回此线程局部变量的当前线程副本中的值
initialValue() : 返回此线程局部变量的当前线程的"初始值"
set(T value) : 将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为value
例如：
在上面例子基础上，修改后的代码为：
代码实例：
//只改Bank类，其余代码与上同 public class Bank{ //使用ThreadLocal类管理共享变量account private static ThreadLocal<Integer> account = new ThreadLocal<Integer>(){ @Override protected Integer initialValue(){ return 100; } }; public void save(int money){ account.set(account.get()+money); } public int getAccount(){ return account.get(); } }
注：ThreadLocal与同步机制
a.ThreadLocal与同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。
b.前者采用以"空间换时间"的方法，后者采用以"时间换空间"的方式
6.使用阻塞队列实现线程同步
前面5种同步方式都是在底层实现的线程同步，但是我们在实际开发当中，应当尽量远离底层结构。
使用javaSE5.0版本中新增的java.util.concurrent包将有助于简化开发。
本小节主要是使用LinkedBlockingQueue<E>来实现线程的同步
LinkedBlockingQueue<E>是一个基于已连接节点的，范围任意的blocking queue。
队列是先进先出的顺序（FIFO），关于队列以后会详细讲解~
LinkedBlockingQueue 类常用方法
LinkedBlockingQueue() : 创建一个容量为Integer.MAX_VALUE的LinkedBlockingQueue
put(E e) : 在队尾添加一个元素，如果队列满则阻塞
size() : 返回队列中的元素个数
take() : 移除并返回队头元素，如果队列空则阻塞
代码实例：
实现商家生产商品和买卖商品的同步
1 package com.xhj.thread; 2 3 import java.util.Random; 4 import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue; 5 6 /** 7 * 用阻塞队列实现线程同步 LinkedBlockingQueue的使用 8 * 9 * @author XIEHEJUN 10 * 11 */ 12 public class BlockingSynchronizedThread { 13 /** 14 * 定义一个阻塞队列用来存储生产出来的商品 15 */ 16 private LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<Integer>(); 17 /** 18 * 定义生产商品个数 19 */ 20 private static final int size = 10; 21 /** 22 * 定义启动线程的标志，为0时，启动生产商品的线程；为1时，启动消费商品的线程 23 */ 24 private int flag = 0; 25 26 private class LinkBlockThread implements Runnable { 27 @Override 28 public void run() { 29 int new_flag = flag++; 30 System.out.println("启动线程 " + new_flag); 31 if (new_flag == 0) { 32 for (int i = 0; i < size; i++) { 33 int b = new Random().nextInt(255); 34 System.out.println("生产商品：" + b + "号"); 35 try { 36 queue.put(b); 37 } catch (InterruptedException e) { 38 // TODO Auto-generated catch block 39 e.printStackTrace(); 40 } 41 System.out.println("仓库中还有商品：" + queue.size() + "个"); 42 try { 43 Thread.sleep(100); 44 } catch (InterruptedException e) { 45 // TODO Auto-generated catch block 46 e.printStackTrace(); 47 } 48 } 49 } else { 50 for (int i = 0; i < size / 2; i++) { 51 try { 52 int n = queue.take(); 53 System.out.println("消费者买去了" + n + "号商品"); 54 } catch (InterruptedException e) { 55 // TODO Auto-generated catch block 56 e.printStackTrace(); 57 } 58 System.out.println("仓库中还有商品：" + queue.size() + "个"); 59 try { 60 Thread.sleep(100); 61 } catch (Exception e) { 62 // TODO: handle exception 63 } 64 } 65 } 66 } 67 } 68 69 public static void main(String[] args) { 70 BlockingSynchronizedThread bst = new BlockingSynchronizedThread(); 71 LinkBlockThread lbt = bst.new LinkBlockThread(); 72 Thread thread1 = new Thread(lbt); 73 Thread thread2 = new Thread(lbt); 74 thread1.start(); 75 thread2.start(); 76 77 } 78 79 }
注：BlockingQueue<E>定义了阻塞队列的常用方法，尤其是三种添加元素的方法，我们要多加注意，当队列满时：
add()方法会抛出异常
offer()方法返回false
put()方法会阻塞
7.使用原子变量实现线程同步
需要使用线程同步的根本原因在于对普通变量的操作不是原子的。
那么什么是原子操作呢？
原子操作就是指将读取变量值、修改变量值、保存变量值看成一个整体来操作
即-这几种行为要么同时完成，要么都不完成。
在java的util.concurrent.atomic包中提供了创建了原子类型变量的工具类，
使用该类可以简化线程同步。
其中AtomicInteger 表可以用原子方式更新int的值，可用在应用程序中(如以原子方式增加的计数器)，
但不能用于替换Integer；可扩展Number，允许那些处理机遇数字类的工具和实用工具进行统一访问。
AtomicInteger类常用方法：
AtomicInteger(int initialValue) : 创建具有给定初始值的新的AtomicInteger
addAddGet(int dalta) : 以原子方式将给定值与当前值相加
get() : 获取当前值
代码实例：
只改Bank类，其余代码与上面第一个例子同
1 class Bank { 2 private AtomicInteger account = new AtomicInteger(100); 3 4 public AtomicInteger getAccount() { 5 return account; 6 } 7 8 public void save(int money) { 9 account.addAndGet(money); 10 } 11 }
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