同步锁-线程安全问题解决方案

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2021-03-26 08:37

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1 同步锁

1.1 前言

经过前面多线程编程的学习,我们遇到了线程安全的相关问题,比如多线程售票情景下的超卖/重卖现象.

我们如何判断程序有没有可能出现线程安全问题,主要有以下三个条件:

在多线程程序中 + 有共享数据 + 多条语句操作共享数据

多线程的场景和共享数据的条件是改变不了的(就像4个窗口一起卖100张票,这个是业务)

所以思路可以从第3点"多条语句操作共享数据"入手,既然是在这多条语句操作数据过程中出现了问题

那我们可以把有可能出现问题的代码都包裹起来,一次只让一个线程来执行


1.2 同步与异步

那怎么"把有可能出现问题的代码都包裹起来"呢?我们可以使用synchronized关键字来实现同步效果

也就是说,当多个对象操作共享数据时,可以使用同步锁解决线程安全问题,被锁住的代码就是同步的


接下来介绍下同步与异步的概念:

同步:体现了排队的效果,同一时刻只能有一个线程独占资源,其他没有权利的线程排队。

坏处就是效率会降低,不过保证了安全。

异步:体现了多线程抢占资源的效果,线程间互相不等待,互相抢占资源。

坏处就是有安全隐患,效率要高一些。


1.3 synchronized同步关键字

1.3.1 写法

synchronized (锁对象){

需要同步的代码(也就是可能出现问题的操作共享数据的多条语句);

}


1.3.2 前提

同步效果的使用有两个前提:

  • 前提1:同步需要两个或者两个以上的线程(单线程无需考虑多线程安全问题)

  • 前提2:多个线程间必须使用同一个锁(我上锁后其他人也能看到这个锁,不然我的锁锁不住其他人,就没有了上锁的效果)

1.3.3 特点

  • synchronized同步关键字可以用来修饰方法,称为同步方法,使用的锁对象是this

  • synchronized同步关键字可以用来修饰代码块,称为同步代码块,使用的锁对象可以任意

  • 同步的缺点是会降低程序的执行效率,但我们为了保证线程的安全,有些性能是必须要牺牲的

  • 但是为了性能,加锁的范围需要控制好,比如我们不需要给整个商场加锁,试衣间加锁就可以了

为什么同步代码块的锁对象可以是任意的同一个对象,但是同步方法使用的是this呢?

因为同步代码块可以保证同一个时刻只有一个线程进入

但同步方法不可以保证同一时刻只能有一个线程调用,所以使用本类代指对象this来确保同步



1.4 练习-改造售票案例

创建包: cn.tedu.thread

创建类:TestSaleTicketsV2.java

package cn.tedu.thread;
/**
 * 本类用于改造售票案例,解决多线程编程安全问题
 * 需求:4个线程共同卖100张票
 * 问题1:出现了重卖现象:一张票卖给了多个人
 * 问题2:出现了超卖现象:出现了0张/-1张/-2张这样的现象
 * */
public class TestSaleTicketsV2 {
 public static void main(String[] args) {
  //5.创建接口实现类对象作为目标对象(目标对象就是要做的业务)
  SaleTicketsV2 target = new SaleTicketsV2();
  //6.将目标对象与Thread线程对象绑定
  Thread t1 = new Thread(target);
  Thread t2 = new Thread(target);
  Thread t3 = new Thread(target);
  Thread t4 = new Thread(target);
  //7.以多线程的方式启动线程--会将线程由新建状态变为就绪状态
  /**1.如果只创建了一个线程对象,是单线程场景,不会出现数据问题*/
  t1.start();
  t2.start();
  t3.start();
  t4.start();
 }
}
/**2.多线程中出现数据不安全问题的前提:多线程程序 + 有共享数据(成员变量) +多条语句操作共享数据*/
/**3.同步锁:相当于给容易出现问题的代码加了一把锁,包裹了所有可能会出现问题的代码
 * 加锁范围:不能太大,也不能太小,太大,干啥都得排队,导致程序的效率太低,太小,没锁住,会有安全问题*/
//1.自定义售票类,通过实现Runnable接口的方式完成
class SaleTicketsV2 implements Runnable{
 //2.定义静态成员变量,用来保存票数
 static int tickets = 100;
 //9.2创建了一个唯一的"锁"对象,不论之后那个线程进同步代码块,使用的都是o对象,"唯一"很重要
 Object o = new Object();
 
 /**6.如果一个方法里的代码都被同步了,可以直接把方法修饰成同步方法,同步方法用的锁对象是this*/
 //3.添加未实现方法run()--写业务
 @Override
 //synchronized public void run() {//被synchronized修饰的方法是同步方法
 public void run() {//被synchronized修饰的方法是同步方法
  //4.1通过while(true)死循环的方式卖票,注意添加出口!!!
  while(true) {
   /**4.synchronized(锁对象){}--同步代码块:是指同一时间这一资源会被一个线程独享,大家使用的时候,都得排队,同步效果*/
   /**5.锁对象的要求:多线程之间必须使用同一把锁,同步代码块的方式,关于锁对象可以任意定义*/
   //9.出现了线程安全问题,所以需要加同步代码块
   //9.1这种写法不对,相当于每个线程进来一次new一个锁对象,并不是使用的同一把锁
      //synchronized (new Object()) {   
      //9.3 使用同步代码块,锁对象是o
   synchronized (o) {
    //4.2通过if结构判断卖票情况
    if(tickets > 0) {//还有票,继续售卖
     //8.手动添加休眠方法,创造延迟效果,注意可能会发生问题,需要由try-catch包裹
     try {
      Thread.sleep(10);//让线程休眠10ms
     } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
     }
     //4.3打印当前卖票的线程名以及票数
     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=" + tickets--);
    }
    //4.4 没票了,退出循环,没的卖了
    if(tickets <= 0) break;
   }
  }
 }



1.5 之前遇到过的同步例子

StringBuffer JDK1.0

加了synchronized ,性能相对较低(要排队,同步),安全性高

StringBuilder JDK1.5

去掉了synchronized,性能更高(不排队,异步),存在安全隐患


快速查找某个类的快捷键:Ctrl+Shift+T


2 线程创建的其他方式

2.1 ExecutorService/Executors

ExecutorService:用来存储线程的池子,把新建线程/启动线程/关闭线程的任务都交给池来管理

  • execute(Runnable任务对象) 把任务丢到线程池


Executors 辅助创建线程池的工具类

  • newFixedThreadPool(int nThreads) 最多n个线程的线程池

  • newCachedThreadPool() 足够多的线程,使任务不必等待

  • newSingleThreadExecutor() 只有一个线程的线程池

2.2 练习:线程的其他创建方式

创建包: cn.tedu.thread

创建类: TestSaleTicketsV2.java

public class TestSaleTicketsV2 {
 public static void main(String[] args) {
  //5.创建接口实现类对象作为目标对象(目标对象就是要做的业务)
  SaleTicketsV2 target = new SaleTicketsV2();
  //6.将目标对象与Thread线程对象绑定
//  Thread t1 = new Thread(target);
//  Thread t2 = new Thread(target);
//  Thread t3 = new Thread(target);
//  Thread t4 = new Thread(target);
  //7.以多线程的方式启动线程--会将线程由新建状态变为就绪状态
  /**1.如果只创建了一个线程对象,是单线程场景,不会出现数据问题*/
//  t1.start();
//  t2.start();
//  t3.start();
//  t4.start();
  /**7.线程池ExecutorService:用来存储线程的池子,把新建线程/启动线程/关闭线程的任务都交给池来管理*/
  /**8.Executors用来辅助创建线程池对象,newFixedThreadPool()创建具有参数个数的线程数的线程池*/
  ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);
  for(int i = 0;i<5;i++) {
   /**9.excute()让线程池中的线程来执行任务,每次调用都会启动一个线程*/
   pool.execute(target);//本方法的参数就是执行的业务,也就是实现类的目标对象
  }
 }


3 拓展:线程锁

3.1 悲观锁和乐观锁

悲观锁:像它的名字一样,对于并发间操作产生的线程安全问题持悲观状态.

悲观锁认为竞争总是会发生,因此每次对某资源进行操作时,都会持有一个独占的锁,就像synchronized,不管三七二十一,直接上了锁就操作资源了。


乐观锁:还是像它的名字一样,对于并发间操作产生的线程安全问题持乐观状态.

乐观锁认为竞争不总是会发生,因此它不需要持有锁,将”比较-替换”这两个动作作为一个原子操作尝试去修改内存中的变量,如果失败则表示发生冲突,那么就应该有相应的重试逻辑。


3.2 两种常见的锁

synchronized 互斥锁(悲观锁,有罪假设)

采用synchronized修饰符实现的同步机制叫做互斥锁机制,它所获得的锁叫做互斥锁。

每个对象都有一个monitor(锁标记),当线程拥有这个锁标记时才能访问这个资源,没有锁标记便进入锁池。任何一个对象系统都会为其创建一个互斥锁,这个锁是为了分配给线程的,防止打断原子操作。每个对象的锁只能分配给一个线程,因此叫做互斥锁。


ReentrantLock 排他锁(悲观锁,有罪假设)

ReentrantLock是排他锁,排他锁在同一时刻仅有一个线程可以进行访问,实际上独占锁是一种相对比较保守的锁策略,在这种情况下任何“读/读”、“读/写”、“写/写”操作都不能同时发生,这在一定程度上降低了吞吐量。然而读操作之间不存在数据竞争问题,如果”读/读”操作能够以共享锁的方式进行,那会进一步提升性能。


ReentrantReadWriteLock 读写锁(乐观锁,无罪假设)

因此引入了ReentrantReadWriteLock,顾名思义,ReentrantReadWriteLock是Reentrant(可重入)Read(读)Write(写)Lock(锁),我们下面称它为读写锁。

读写锁内部又分为读锁和写锁,读锁可以在没有写锁的时候被多个线程同时持有,写锁是独占的。

读锁和写锁分离从而提升程序性能,读写锁主要应用于读多写少的场景。


3.3 尝试用读写锁改造售票案例

package cn.tedu.thread;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

/**
 * 本类用于改造售票案例,使用可重入读写锁
 * ReentrantReadWriteLock
 * */
public class TestSaleTicketsV3 {
 public static void main(String[] args) {
  SaleTicketsV3 target = new SaleTicketsV3();
  Thread t1 = new Thread(target);
  Thread t2 = new Thread(target);
  Thread t3 = new Thread(target);
  Thread t4 = new Thread(target);
  t1.start();
  t2.start();
  t3.start();
  t4.start();
 }
}
class SaleTicketsV3 implements Runnable{
 static int tickets = 100;
 //1.定义可重入读写锁对象,静态保证全局唯一
 static ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(true);
 @Override
 public void run() {
  while(true) {
   //2.在操作共享资源前上锁
   lock.writeLock().lock();
   try {
    if(tickets > 0) {
     try {
      Thread.sleep(10);
     } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
     }
     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "=" + tickets--);
    }
    if(tickets <= 0) break;
   } catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
   }finally {
    //3.finally{}中释放锁,注意一定要手动释放,防止死锁,否则就独占报错了
    lock.writeLock().unlock();
   }
  }
 }



3.4 两种方式的区别

需要注意的是,用sychronized修饰的方法或者语句块在代码执行完之后锁会自动释放,而是用Lock需要我们手动释放锁,所以为了保证锁最终被释放(发生异常情况),要把互斥区放在try内,释放锁放在finally内!

与互斥锁相比,读-写锁允许对共享数据进行更高级别的并发访问。虽然一次只有一个线程(writer 线程)可以修改共享数据,但在许多情况下,任何数量的线程可以同时读取共享数据(reader 线程)从理论上讲,与互斥锁定相比,使用读-写锁允许的并发性增强将带来更大的性能提高。


恭喜你,线程与线程锁的学习可以暂时告一段落啦,接着我们可以继续学习别的内容

————————————————

版权声明:本文为CSDN博主「程序媛 泡泡」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。

原文链接:

https://blog.csdn.net/weixin_43884234/article/details/115049704





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