金九銀十，查漏補缺：Java線程同步與實現

時間 2020-01-13

標籤補缺 java 線程同步實現欄目 Java 简体版

原文原文鏈接

前言
爲什麼要使用Java線程同步？ Java容許多線程併發控制，當多個線程同時操做一個可共享的資源變量時，將會致使數據不許確，相互之間產生衝突，所以加入同步鎖以免在該線程沒有完成操做以前，被其餘線程的調用，從而保證了該變量的惟一性和準確性。java

但其併發編程的根本，就是使線程間進行正確的通訊。其中兩個比較重要的關鍵點，以下：編程

線程通訊：重點關注線程同步的幾種方式；
正確通訊：重點關注是否有線程安全問題；
Java中提供了不少線程同步操做，好比：synchronized關鍵字、wait/notifyAll、ReentrantLock、Condition、一些併發包下的工具類、Semaphore，ThreadLocal、AbstractQueuedSynchronizer等。本文主要說明一下這幾種同步方式的使用及優劣。安全

1 ReentrantLock可重入鎖
自JDK5開始，新增了Lock接口以及它的一個實現類ReentrantLock。ReentrantLock可重入鎖是J.U.C包內置的一個鎖對象，能夠用來實現同步，基本使用方法以下：多線程

public class ReentrantLockTest {架構

private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void execute() {
    lock.lock();
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " do something synchronize");
        try {
            Thread.sleep(5000l);
        } catch (InterruptedException e) {
            System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
public static void main(String[] args) {
    ReentrantLockTest reentrantLockTest = new ReentrantLockTest();
    Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            reentrantLockTest.execute();
        }
    });
    Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            reentrantLockTest.execute();
        }
    });
    thread1.start();
    thread2.start();
}

}
複製代碼
上面例子表示同一時間段只能有1個線程執行execute方法，輸出以下：併發

Thread-0 do something synchronize
// 隔了5秒鐘輸入下面
Thread-1 do something synchronize
複製代碼
可重入鎖中可重入表示的意義在於對於同一個線程，能夠繼續調用加鎖的方法，而不會被掛起。可重入鎖內部維護一個計數器，對於同一個線程調用lock方法，計數器+1，調用unlock方法，計數器-1。dom

舉個例子再次說明一下可重入的意思：在一個加鎖方法execute中調用另一個加鎖方法anotherLock並不會被掛起，能夠直接調用(調用execute方法時計數器+1，而後內部又調用了anotherLock方法，計數器+1，變成了2)：ide

public void execute() {工具

lock.lock();
try {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " do something synchronize");
    try {
        anotherLock();
        Thread.sleep(5000l);
    } catch (InterruptedException e) {
        System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
} finally {
    lock.unlock();
}

}
public void anotherLock() {性能

lock.lock();
try {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " invoke anotherLock");
} finally {
    lock.unlock();
}

}
複製代碼
輸出：

Thread-0 do something synchronize
Thread-0 invoke anotherLock
// 隔了5秒鐘輸入下面
Thread-1 do something synchronize
Thread-1 invoke anotherLock
複製代碼
2 synchronized
synchronized跟ReentrantLock同樣，也支持可重入鎖。可是它是一個關鍵字，是一種語法級別的同步方式，稱爲內置鎖：

public class SynchronizedKeyWordTest {

public synchronized void execute() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " do something synchronize");
    try {
        anotherLock();
        Thread.sleep(5000l);
    } catch (InterruptedException e) {
        System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
}
public synchronized void anotherLock() {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " invoke anotherLock");
}
public static void main(String[] args) {
    SynchronizedKeyWordTest reentrantLockTest = new SynchronizedKeyWordTest();
    Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            reentrantLockTest.execute();
        }
    });
    Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            reentrantLockTest.execute();
        }
    });
    thread1.start();
    thread2.start();
}

}
複製代碼
輸出結果跟ReentrantLock同樣，這個例子說明內置鎖能夠做用在方法上。synchronized關鍵字也能夠修飾靜態方法，此時若是調用該靜態方法，將會鎖住整個類。點擊免費「領取Java架構資料」

同步是一種高開銷的操做，所以應該儘可能減小同步的內容。一般沒有必要同步整個方法，使用synchronized代碼塊同步關鍵代碼便可。

synchronized跟ReentrantLock相比，有幾點侷限性：

加鎖的時候不能設置超時。ReentrantLock有提供tryLock方法，能夠設置超時時間，若是超過了這個時間而且沒有獲取到鎖，就會放棄，而synchronized卻沒有這種功能；
ReentrantLock可使用多個Condition，而synchronized卻只能有1個
不能中斷一個試圖得到鎖的線程；
ReentrantLock能夠選擇公平鎖和非公平鎖；
ReentrantLock能夠得到正在等待線程的個數，計數器等；
因此，Lock的操做與synchronized相比，靈活性更高，並且Lock提供多種方式獲取鎖，有Lock、ReadWriteLock接口，以及實現這兩個接口的ReentrantLock類、ReentrantReadWriteLock類。

關於Lock對象和synchronized關鍵字選擇的考量：

最好兩個都不用，使用一種java.util.concurrent包提供的機制，可以幫助用戶處理全部與鎖相關的代碼。
若是synchronized關鍵字能知足用戶的需求，就用synchronized，由於它能簡化代碼。
若是須要更高級的功能，就用ReentrantLock類，此時要注意及時釋放鎖，不然會出現死鎖，一般在finally代碼釋放鎖。
在性能考量上來講，若是競爭資源不激烈，二者的性能是差很少的，而當競爭資源很是激烈時（即有大量線程同時競爭），此時Lock的性能要遠遠優於synchronized。因此說，在具體使用時要根據適當狀況選擇。點擊免費「領取Java架構資料」

3 Condition條件對象
Condition條件對象的意義在於對於一個已經獲取Lock鎖的線程，若是還須要等待其餘條件才能繼續執行的狀況下，纔會使用Condition條件對象。

Condition能夠替代傳統的線程間通訊，用await()替換wait()，用signal()替換notify()，用signalAll()替換notifyAll()。

爲何方法名不直接叫wait()/notify()/nofityAll()？由於Object的這幾個方法是final的，不可重寫！
public class ConditionTest {

public static void main(String[] args) {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    Condition condition = lock.newCondition();
    Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wait for condition");
                try {
                    condition.await();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    });
    Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sleep 5 secs");
                try {
                    Thread.sleep(5000l);
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
                condition.signalAll();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    });
    thread1.start();
    thread2.start();
}

}
複製代碼
這個例子中thread1執行到condition.await()時，當前線程會被掛起，直到thread2調用了condition.signalAll()方法以後，thread1纔會從新被激活執行。

這裏須要注意的是thread1調用Condition的await方法以後，thread1線程釋放鎖，而後立刻加入到Condition的等待隊列，因爲thread1釋放了鎖，thread2得到鎖並執行，thread2執行signalAll方法以後，Condition中的等待隊列thread1被取出並加入到AQS中，接下來thread2執行完畢以後釋放鎖，因爲thread1已經在AQS的等待隊列中，因此thread1被喚醒，繼續執行。
傳統線程的通訊方式，Condition均可以實現。Condition的強大之處在於它能夠爲多個線程間創建不一樣的Condition。

注意，Condition是被綁定到Lock上的，要建立一個Lock的Condition必須用newCondition()方法。
4 wait&notify/notifyAll方式
Java線程的狀態轉換圖與相關方法，以下：

圖片描述(最多50字)

在圖中，紅框標識的部分方法，能夠認爲已過期，再也不使用。上圖中的方法可以參與到線程同步中的方法，以下：

wait、notify、notifyAll方法：線程中通訊可使用的方法。線程中調用了wait方法，則進入阻塞狀態，只有等另外一個線程調用與wait同一個對象的notify方法。這裏有個特殊的地方，調用wait或者notify，前提是須要獲取鎖，也就是說，須要在同步塊中作以上操做。
wait/notifyAll方式跟ReentrantLock/Condition方式的原理是同樣的。
Java中每一個對象都擁有一個內置鎖，在內置鎖中調用wait，notify方法至關於調用鎖的Condition條件對象的await和signalAll方法。
public class WaitNotifyAllTest {

public synchronized void doWait() {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wait for condition");
    try {
        this.wait();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
    } catch (InterruptedException e) {
        System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
}
public synchronized void doNotify() {
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sleep 5 secs");
        Thread.sleep(5000l);
        this.notifyAll();
    } catch (InterruptedException e) {
        System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
}
public static void main(String[] args) {
    WaitNotifyAllTest waitNotifyAllTest = new WaitNotifyAllTest();
    Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            waitNotifyAllTest.doWait();
        }
    });
    Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            waitNotifyAllTest.doNotify();
        }
    });
    thread1.start();
    thread2.start();
}

}
複製代碼
這裏須要注意的是調用wait/notifyAll方法的時候必定要得到當前線程的鎖，不然會發生IllegalMonitorStateException異常。
join方法：該方法主要做用是在該線程中的run方法結束後，才往下執行。
package com.thread.simple;

public class ThreadJoin {

public static void main(String[] args) {
    Thread thread= new Thread(new Runnable() {
          @Override
          public void run() {
               System.err.println("線程"+Thread.currentThread().getId()+" 打印信息");
          }
    });
    thread.start();
 
    try {
        thread.join();
    } catch (InterruptedException e) {
        // TODO Auto-generated catch block
        e.printStackTrace();
    }
    System.err.println("主線程打印信息");    
}

}
複製代碼
yield方法：線程自己的調度方法，使用時線程能夠在run方法執行完畢時，調用該方法，告知線程已能夠出讓CPU資源。
public class Test1 {

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
    new MyThread("低級", 1).start();  
    new MyThread("中級", 5).start();  
    new MyThread("高級", 10).start();  
}

}
class MyThread extends Thread {

public MyThread(String name, int pro) {  
    super(name);// 設置線程的名稱  
    this.setPriority(pro);// 設置優先級  
}  
@Override  
public void run() {  
    for (int i = 0; i < 30; i++) {  
        System.out.println(this.getName() + "線程第" + i + "次執行！");  
        if (i % 5 == 0)  
            Thread.yield();  
    }  
}

}
複製代碼
sleep方法：經過sleep(millis)使線程進入休眠一段時間，該方法在指定的時間內沒法被喚醒，同時也不會釋放對象鎖；
/**

能夠明顯看到打印的數字在時間上有些許的間隔

*/
public class Test1 {

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
    for(int i=0;i<100;i++){  
        System.out.println("main"+i);  
        Thread.sleep(100);  
    }  
}

}
複製代碼
sleep方法告訴操做系統至少在指定時間內不需爲線程調度器爲該線程分配執行時間片，並不釋放鎖（若是當前已經持有鎖）。實際上，調用sleep方法時並不要求持有任何鎖。
因此，sleep方法並不須要持有任何形式的鎖，也就不須要包裹在synchronized中。
5 ThreadLocal
ThreadLocal是一種把變量放到線程本地的方式來實現線程同步的。好比：SimpleDateFormat不是一個線程安全的類，可使用ThreadLocal實現同步，以下：

public class ThreadLocalTest {

private static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal = new ThreadLocal<SimpleDateFormat>() {
    @Override
    protected SimpleDateFormat initialValue() {
        return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
    }
};
public static void main(String[] args) {
    Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            Date date = new Date();
            System.out.println(dateFormatThreadLocal.get().format(date));
        }
    });
    Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            Date date = new Date();
            System.out.println(dateFormatThreadLocal.get().format(date));
        }
    });
    thread1.start();
    thread2.start();
}

}
複製代碼
爲什麼SimpleDateFormat不是線程安全的類？具體請參考：

https://blog.csdn.net/zdp072/...
https://blog.csdn.net/zq60231...
ThreadLocal與同步機制的對比選擇：

ThreadLocal與同步機制都是爲了解決多線程中相同變量的訪問衝突問題。
前者採用以 "空間換時間" 的方法，後者採用以 "時間換空間" 的方式。
6 volatile修飾變量
volatile關鍵字爲域變量的訪問提供了一種免鎖機制，使用volatile修飾域至關於告訴虛擬機該域可能會被其餘線程更新，所以每次使用該域就要從新計算，而不是使用寄存器中的值，volatile不會提供任何原子操做，它也不能用來修飾final類型的變量。

//只給出要修改的代碼，其他代碼與上同
public class Bank {

//須要同步的變量加上volatile
private volatile int account = 100;
public int getAccount() {
    return account;
}
//這裏再也不須要synchronized 
public void save(int money) {
    account += money;
}

｝
複製代碼
多線程中的非同步問題主要出如今對域的讀寫上，若是讓域自身避免這個問題，則就不須要修改操做該域的方法。用final域，有鎖保護的域和volatile域能夠避免非同步的問題。點擊免費「領取Java架構資料」

7 Semaphore信號量
Semaphore信號量被用於控制特定資源在同一個時間被訪問的個數。相似鏈接池的概念，保證資源能夠被合理的使用。可使用構造器初始化資源個數：

public class SemaphoreTest {

private static Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
public static void main(String[] args) {
    for(int i = 0; i < 5; i ++) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date());
                    Thread.sleep(5000l);
                    semaphore.release();
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
                }
            }
        }).start();
    }
}

}
複製代碼
輸出：

Thread-1 Mon Apr 18 18:03:46 CST 2016
Thread-0 Mon Apr 18 18:03:46 CST 2016
Thread-3 Mon Apr 18 18:03:51 CST 2016
Thread-2 Mon Apr 18 18:03:51 CST 2016
Thread-4 Mon Apr 18 18:03:56 CST 2016
複製代碼
8 併發包下的工具類
8.1 CountDownLatch

CountDownLatch是一個計數器，它的構造方法中須要設置一個數值，用來設定計數的次數。每次調用countDown()方法以後，這個計數器都會減去1，CountDownLatch會一直阻塞着調用await()方法的線程，直到計數器的值變爲0。

public class CountDownLatchTest {

public static void main(String[] args) {
    CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);
    for(int i = 0; i < 5; i ++) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date() + " run");
                try {
                    Thread.sleep(5000l);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                countDownLatch.countDown();
            }
        }).start();
    }
    try {
        countDownLatch.await();
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("all thread over");
}

}
複製代碼
輸出：

Thread-2 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run
Thread-3 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run
Thread-4 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run
Thread-0 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run
Thread-1 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run
all thread over
複製代碼
8.2 CyclicBarrier

CyclicBarrier阻塞調用的線程，直到條件知足時，阻塞的線程同時被打開。

調用await()方法的時候，這個線程就會被阻塞，當調用await()的線程數量到達屏障數的時候，主線程就會取消全部被阻塞線程的狀態。
在CyclicBarrier的構造方法中，還能夠設置一個barrierAction。在全部的屏障都到達以後，會啓動一個線程來運行這裏面的代碼。
public class CyclicBarrierTest {

public static void main(String[] args) {
    Random random = new Random();
    CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5);
    for(int i = 0; i < 5; i ++) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int secs = random.nextInt(5);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date() + " run, sleep " + secs + " secs");
                try {
                    Thread.sleep(secs * 1000);
                    cyclicBarrier.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date() + " runs over");
            }
        }).start();
    }
}

}
複製代碼
相比CountDownLatch，CyclicBarrier是能夠被循環使用的，並且遇到線程中斷等狀況時，還能夠利用reset()方法，重置計數器，從這些方面來講，CyclicBarrier會比CountDownLatch更加靈活一些。

9 使用原子變量實現線程同步
有時須要使用線程同步的根本緣由在於對普通變量的操做不是原子的。那麼什麼是原子操做呢？點擊免費「領取Java架構資料」

原子操做就是指將讀取變量值、修改變量值、保存變量值當作一個總體來操做即-這幾種行爲要麼同時完成，要麼都不完成。
在java.util.concurrent.atomic包中提供了建立原子類型變量的工具類，使用該類能夠簡化線程同步。好比：其中AtomicInteger以原子方式更新int的值：

class Bank {

private AtomicInteger account = new AtomicInteger(100);
public AtomicInteger getAccount() {
    return account;
}
public void save(int money) {
    account.addAndGet(money);
}

}
複製代碼
10 AbstractQueuedSynchronizer
AQS是不少同步工具類的基礎，好比：ReentrantLock裏的公平鎖和非公平鎖，Semaphore裏的公平鎖和非公平鎖，CountDownLatch裏的鎖等他們的底層都是使用AbstractQueuedSynchronizer完成的。

基於AbstractQueuedSynchronizer自定義實現一個獨佔鎖：

public class MySynchronizer extends AbstractQueuedSynchronizer {

@Override
protected boolean tryAcquire(int arg) {
    if(compareAndSetState(0, 1)) {
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        return true;
    }
    return false;
}
@Override
protected boolean tryRelease(int arg) {
    setState(0);
    setExclusiveOwnerThread(null);
    return true;
}
public void lock() {
    acquire(1);
}
public void unlock() {
    release(1);
}
public static void main(String[] args) {
    MySynchronizer mySynchronizer = new MySynchronizer();
    Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            mySynchronizer.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " will sleep 5 secs");
                try {
                    Thread.sleep(5000l);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            } finally {
                mySynchronizer.unlock();
            }
        }
    });
    Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            mySynchronizer.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
            } finally {
                mySynchronizer.unlock();
            }
        }
    });
    thread1.start();
    thread2.start();
}

}
複製代碼
11 使用阻塞隊列實現線程同步
前面幾種同步方式都是基於底層實現的線程同步，可是在實際開發當中，應當儘可能遠離底層結構。本節主要是使用LinkedBlockingQueue來實現線程的同步。

LinkedBlockingQueue是一個基於鏈表的隊列，先進先出的順序（FIFO），範圍任意的blocking queue。
package com.xhj.thread;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
/**

用阻塞隊列實現線程同步 LinkedBlockingQueue的使用

*/
public class BlockingSynchronizedThread {

/**
 * 定義一個阻塞隊列用來存儲生產出來的商品
 */
private LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<Integer>();
/**
 * 定義生產商品個數
 */
private static final int size = 10;
/**
 * 定義啓動線程的標誌，爲0時，啓動生產商品的線程；爲1時，啓動消費商品的線程
 */
private int flag = 0;
private class LinkBlockThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        int new_flag = flag++;
        System.out.println("啓動線程 " + new_flag);
        if (new_flag == 0) {
            for (int i = 0; i < size; i++) {
                int b = new Random().nextInt(255);
                System.out.println("生產商品：" + b + "號");
                try {
                    queue.put(b);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("倉庫中還有商品：" + queue.size() + "個");
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        } else {
            for (int i = 0; i < size / 2; i++) {
                try {
                    int n = queue.take();
                    System.out.println("消費者買去了" + n + "號商品");
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("倉庫中還有商品：" + queue.size() + "個");
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (Exception e) {
                    // TODO: handle exception
                }
            }
        }
    }
}
public static void main(String[] args) {
    BlockingSynchronizedThread bst = new BlockingSynchronizedThread();
    LinkBlockThread lbt = bst.new LinkBlockThread();
    Thread thread1 = new Thread(lbt);
    Thread thread2 = new Thread(lbt);
    thread1.start();
    thread2.start();
}

}來源：