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线程不安全
线程不安全的问题分析:在小朋友抢气球的案例中模拟网络延迟来将问题暴露出来;示例代码如下:
public class ImplementsDemo {public static void main(String []args) {Balloon balloon = new Balloon();
new Thread(balloon, "小红").start();
new Thread(balloon, "小强").start();
new Thread(balloon, "小明").start();}
}
// 气球
class Balloon extends Thread {
private int num = 50;
@Override
public void run() {for (int i = 0; i < 50; i++) {if (num > 0) {
try {Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢到了" + (num--) + "号气球")
}
}
}
}
在线程中的 run
方法上不能使用 throws
来声明抛出异常,所以在 run
方法中调用有可能出现异常的代码时,只能使用 try-catch
将其捕获来处理。
原因是:子类覆盖父类方法时不能抛出新的异常,父类的 run
方法都没有抛出异常,子类就更加不能抛出异常了。详情可查看我的另一篇文章「JAVA」运行时异常、编译时异常、自定义异常,通过案例实践转译和异常链
)
在上述案例中,通过引入 Thread.sleep();
来模拟网络延迟,该方法的作用是 让当前线程进入睡眠状态 10
毫秒 ,此时其他线程就可以去抢占资源了, 方法的参数是睡眠时间,以毫秒为单位。
通过观察运行结果,发现了问题:
在运行结果中,小红、小强两个小朋友都抢到了 14
号气球,也就是 14
号气球被抢到了 2
次。我们来梳理线程的运行过程来看看发生了什么:
- 小强和小红两个线程都拿到了
14
号气球,由于 线程调度 ,小强获得了CPU
时间片,打印出了抢到的气球,而小红则进入睡眠;小强在打印后对num
做了减一操作,此时num
为13
; - 小明线程开始运行,抢到了
13
号气球,并对num
做了减一操作,此时num
为12
; - 小红线程醒来,打印出抢到的
14
号气球;此时的num
为12
,减一后结果为11
; - 由于多个线程是并发操作,所以对
num
做判断时可能上一个线程还未对num
减一,故都能通过(num > 0
)的判断;
然后再来运行上述代码,得出如下的结果:
运行结果中出现了本不该出现的 0
和-1
,因为按照正常逻辑,气球数量到 1
之后就不应该被打印和减一了。出现这样的结果是因为出现了以下的执行步骤:
- 小红、小强、小明都同时抢到了
1
号气球,由于线程调度,小强获取了cpu
时间片,得以执行,而小明和小红则进入睡眠;小强打印出结果后,对num
减一,此时num
为0
; - 小明醒来,获得的
num
为0
,然后小明将num
打印出来,再对num
减一,此时num
为-1
; - 小红醒来,获得的
num
为-1
,随后小红将num
打印出来,再对num
减一,此时怒木为-2
; - 由于多个线程是并发操作,所以对
num
做判断时可能上一个线程还未对num
减一,故都能通过(num > 0
)的判断;
解决方案:
在案例中的抢气球其实是两步操作:先抢到气球,再对气球总数减一;既然是两步操作,在并发中就完全有可能会被分开执行,且执行顺序无法得到控制;
想要解决上述的线程不安全的问题,就必须要将这两步操作作为一个 原子操作 ,保证其 同步运行 ;也就是当一个 线程 A
进入操作的时候,其他线程只能在操作外等待,只有当 线程 A
执行完毕,其他线程才能有机会进入操作。
原子操作:不能被分割的操作,必须保证其从一而终完全执行,要么都执行,要么都不执行。
为解决多线程并发访问同一个资源的安全性问题,Java
提供如下了几种不同的同步机制:
- 同步代码块;
- 同步方法;
-
Lock
锁机制;
同步代码块
同步代码块: 为了保证线程能够正常执行原子操作,Java
引入了线程同步机制,其语法如下:
synchronized (同步锁) {
// 需要同步操作的代码
... ...
}
上述中 同步锁,又称 同步监听对象、同步监听器、互斥锁,同步锁是一个抽象概念,可以理解为在对象上标记了一把锁;
Java
中可以使用任何对象作为同步监听对象,但在项目开发中,我们会 把当前并发访问的共享资源对象作为同步监听对象 , 在任何时候,最多只能运行一个线程拥有同步锁。
卫生间的使用就是一个很好的例子,一个卫生间在一段时间内只能被一个人使用,当一个人进入卫生间后,卫生间会被上锁,其他只能等待;只有当使用卫生间的人使用完毕,开锁后才能被下一个人使用。
然后就可以使用同步代码块来改写抢气球案例,示例代码如下:
public class ImplementsDemo {public static void main(String []args) {Balloon balloon = new Balloon();
new Thread(balloon, "小红").start();
new Thread(balloon, "小强").start();
new Thread(balloon, "小明").start();}
}
// 气球
class Balloon implements Runnable {
private int num = 500;
@Override
public void run() {for (int i = 0; i < 500; i++) {synchronized (this) {if (num > 0) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢到了"
+ num + "号气球");
num--;
}
}
}
}
}
通过查看运行结果,线程同步的问题已经得到解决。
同步方法
同步方法: 使用 synchronized
修饰的方法称为同步方法,能够保证当一个线程进入该方法的时候,其他线程在方法外等待。比如:
public synchronized void doSomething() {// 方法逻辑}
PS:方法修饰符不分先后顺序。
使用同步方法来改写抢气球案例,代码如下:
public class ImplementsDemo {public static void main(String []args) {Balloon balloon = new Balloon();
new Thread(balloon, "小红").start();
new Thread(balloon, "小强").start();
new Thread(balloon, "小明").start();}
}
// 气球
class Balloon implements Runnable {
private int num = 500;
@Override
public void run() {for (int i = 0; i < 500; i++) {grabBalloon();
}
}
// 抢气球
private synchronized void grabBalloon() {if (num > 0) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢到了"
+ num + "号气球");
num--;
}
}
}
注意:不能使用 synchronized
修改线程类中的 run
方法 ,因为使用之后,就会出现一个线程执行完了所有功能,多个线程出现串行;原本是多行道,使用synchronized
修改线程类中的 run
方法,多行道变成了单行道。
synchronized 的好与坏
好:synchronized
保证了并发访问时的同步操作,避免了线程的安全性问题。
坏:使用synchronized
的方法、代码块的性能会比不用要低一些。
StringBuilder 和 StringBuffer
StringBuilder
和 StringBuffer
区别就在于StringBuffer
中的方法都使用了 synchronized
修饰,StringBuilder
中的方法没有使用 synchronized
修饰;这也是 StringBuilder
性能比 StringBuffer
高的主要原因。
Vector 和 ArrayList
两者都有同样的方法,有同样的实现算法,唯一不同就是 Vector
中的方法使用了 synchronized
修饰,所以 Vector
的性能要比 ArrayList
低。
Hashtable 和 HashMap
两者都有同样的方法,有同样的实现算法,唯一不同就是 Hashtable
中的方法使用了 synchronized
修饰,所以 Hashtable
的性能要比 HashMap
低。
volatile 关键字
volatile
关键字的作用在于:被volatile
关键字修饰的变量的值,将不会被本地线程缓存,所有对该变量的读写都是直接操作共享内存,从而可以确保多个线程能正确处理该变量。
需要注意的是,volatile
关键字可能会屏蔽虚拟机中的一些必要的优化操作,所以运行效率不是很高,因此,没有特别的需要,不要使用;即便使用,也要避免大量使用。
单例模式
单例模式 – 饿汉模式
代码如下:
public class SlackerDemo {private SlackerDemo() {}
private static SlackerDemo instance = null;
public static SlackerDemo getInstance() {if (instance == null) {instance = new SlackerDemo();
}
return instance;
}
}
单例模式 – 懒汉模式
代码如下:
public class SlackerDemo {private SlackerDemo() {}
private static SlackerDemo instance = null;
public static SlackerDemo getInstance() {if (instance == null) {instance = new SlackerDemo();
}
return instance;
}
}
懒汉模式存在线程不安全问题,在对 instance
对象做判断时由于并发导致出现和抢气球案例一样的问题。为了解决这个问题,使用 双重检查加锁机制 来解决。
双重检查加锁机制
使用“双重检查加锁”机制实现的程序,既能实现线程安全,有能够使性能不受较大的影响。那么何谓“双重检查加锁”机制?其指的是:
- 并不是每次进入
getInstance
方法都需要同步,而是先不同步,进入方法后,先检查实例是否存在,如果不存在才执行同步代码块,这是 ** 第一重检查;
- 进入同步块后,再次检查实例是否存在,如果不存在,就在同步块中创建一个实例,这是 第二重检查。
这样,就只需要同步一次,减少了多次在同步情况判断所浪费的时间。
“双重检查加锁”机制的实现需要 volatile
关键字的配合使用,且 Java
版本需要在Java 5
及以上,虽然该机制可实现线程安全的单例模式,也要根据实际情况酌情使用,不宜大量推广使用。
使用“双重检查加锁”机制改写后的懒汉模式,代码如下:
public class SlackerDemo {private SlackerDemo() {}
private static SlackerDemo instance = null;
public static SlackerDemo getInstance() {if (instance == null) {synchronized (SlackerDemo.class) {if (instance == null) {instance = new SlackerDemo();
}
}
}
return instance;
}
}
Lock 锁机制
java.util.concurrent.locks
包提供了 Lock
接口,Lock
锁机制提供了比 synchronized
代码块和 synchronized
方法更广泛的锁定操作,而且功能比 synchronized
代码块和 synchronized
方法更加强大。
官方的提供了参考价值很大的 demo
,能够很好的提现Lock
机制的功能:
使用Lock
机制改写的抢气球案例代码如下所示:
import java.util.concurrent.locks.*;
public class LockDemo {public static void main(String []args) {Balloon balloon = new Balloon();
new Thread(balloon, "小红").start();
new Thread(balloon, "小强").start();
new Thread(balloon, "小明").start();}
}
// 气球
class Balloon implements Runnable {
private int num = 500;
private final Lock lock = new ReentrantLock(); // 创建锁对象
@Override
public void run() {for (int i = 0; i < 500; i++) {grabBalloon();
}
}
// 抢气球
private void grabBalloon() {lock.lock(); // 获取锁对象
if (num > 0) {
try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "抢到了"
+ num + "号气球");
num--;
} catch (Exception e) { } finally {lock.unlock(); // 释放锁
}
}
}
}
案例运行正常。
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