Java线程同步的解决方案synchronized与Lock.docx

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Java线程同步的解决方案synchronized与Lock.docx

Java线程同步的解决方案synchronized与Lock

Java线程同步的解决方案——synchronized与Lock

要说明线程同步问题首先要说明Java线程的两个特性,可见性和有序性。

多个线程之间是不能直接传递数据交互的,它们之间的交互只能通过共享变量来实现。

例如,假设在多个线程之间共享了Count类的一个对象,Count类有一个私有域num和一个公有方法count(),count()方法对num进行加1操作。

这个对象是被创建在主内存(堆内存)中,每个线程都有自己的工作内存(线程栈),工作内存存储了主内存Count对象的一个副本,当线程操作Count对象时,首先从主内存复制Count对象到工作内存中,然后执行代码count.count(),改变了num值,最后用工作内存Count刷新主内存Count。

当一个对象在多个内存中都存在副本时,如果一个内存修改了共享变量,其它线程也应该能够看到被修改后的值,此为可见性。

多个线程执行时,CPU对线程的调度是随机的,我们不知道当前程序被执行到哪步就切换到了下一个线程,一个最经典的例子就是银行汇款问题,一个银行账户存款100,这时一个人从该账户取10元,同时另一个人向该账户汇10元,那么余额应该还是100。

那么此时可能发生这种情况,A线程负责取款,B线程负责汇款,A从主内存读到100,B从主内存读到100,A执行减10操作,并将数据刷新到主内存,这时主内存数据100-10=90,而B内存执行加10操作,并将数据刷新到主内存,最后主内存数据100+10=110,显然这是一个严重的问题,我们要保证A线程和B线程有序执行,先取款后汇款或者先汇款后取款,此为有序性。

先用代码来展示一下线程同步问题:

[java]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片

publicclassTraditionalThreadSynchronized{

publicstaticvoidmain(String[]args){

finalOutputteroutput=newOutputter();

newThread(){

publicvoidrun(){

output.output("zhangsan");

}

}.start();

newThread(){

publicvoidrun(){

output.output("lisi");

}

}.start();

}

}

classOutputter{

publicvoidoutput(Stringname){

//TODO为了保证对name的输出不是一个原子操作,这里逐个输出name的每个字符

for(inti=0;i

System.out.print(name.charAt(i));

Thread.sleep(10);

}

}

}

运行结果:

[java]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片

zhliansigsan

输出的字符串被打乱了,我们期望的输出结果是zhangsanlisi。

这就是线程同步问题,我们希望output方法被一个线程完整的执行完之后再切换到下一个线程。

下面介绍线程同步的解决方案——synchronized关键字和Lock框架。

一、synchronized实现线程同步

Java中使用synchronized保证一段代码在多线程执行时是互斥的,有两种用法:

1、使用synchronized将需要互斥的代码包含起来,并上一把锁。

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{

synchronized(this){

for(inti=0;i

System.out.print(name.charAt(i));

}

}

}

这把锁必须是需要互斥的多个线程间的共享对象。

2、将synchronized加在需要互斥的方法上。

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publicsynchronizedvoidoutput(Stringname){

//TODO线程输出方法

for(inti=0;i

System.out.print(name.charAt(i));

}

}

这种方式就相当于用this锁住整个方法内的代码块,如果用synchronized加在静态方法上,就相当于用Outputter.class锁住整个方法内的代码块。

使用synchronized在某些情况下会造成死锁。

使用synchronized修饰的方法或者代码块可以看成是一个原子操作。

每个锁对象都有两个队列,一个是就绪队列,一个是阻塞队列,就绪队列存储了将要获得锁的线程,阻塞队列存储了被阻塞的线程,当一个线程被唤醒(notify)后,才会进入到就绪队列,从而有了获取CPU执行时间的可能,反之,当一个线程被wait后,就会进入阻塞队列,等待下一次被唤醒。

上面例子中,当第一个线程执行输出方法时,获得同步锁,执行输出方法,恰好此时第二个线程也要执行输出方法,但发现同步锁没有被释放,第二个线程就会进入就绪队列,等待锁被释放。

一个线程执行互斥代码过程如下:

1.获得同步锁;

2.清空工作内存;

3.从主内存拷贝对象副本到工作内存;

4.执行代码(计算或者输出等);

5.刷新主内存数据;

6.释放同步锁。

所以,synchronized关键字既保证了多线程的并发有序性,又保证了多线程的内存可见性。

除去synchronized关键字之外,增加语义后的volatile关键字提供了另一种实现同步的方法。

如果一个变量被volatile修饰,那么Java内存模型(主内存和线程工作内存)确保所有线程都可以看到一致的最新的该变量的值,来看一段代码:

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classTest{

staticinti=0,j=0;

staticvoidwrite(){

i+=10;

j+=5;

}

staticvoidread(){

System.out.println("i="+i+"j="+j);

}

}

一些线程执行write方法,另一些线程执行read方法,read方法有可能打印出j的值比i的值更大,按照之前分析的线程执行过程分析一下:

1.将变量i从主内存拷贝到工作内存;

2.改变i的值;

3.刷新主内存数据;

4.将变量j从主内存拷贝到工作内存;

5.改变j的值;

6.刷新主内存数据;

这个时候执行read方法的线程先读取了主存i原来的值又读取了j更新后的值,这就导致了程序的输出不是我们预期的结果,要阻止这种不合理的行为的一种方式是在write方法和read方法前面加上synchronized修饰符:

[java]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片

classTest{

staticinti=0,j=0;

staticsynchronizedvoidwrite(){

i+=10;

j+=5;

}

staticsynchronizedvoidread(){

System.out.println("i="+i+"j="+j);

}

}

根据前面的分析,我们可以知道,这时write方法和read方法再也不会并发的执行了,i和j的值在主内存中会一直保持最新值供其他线程读取,并且read方法输出的也是一致的。

但是synchronized在保证了write方法和read方法不能并发执行的同时,也让多个线程的read方法不能并发执行,这样的同步太过”重量级“。

不利于提高read性能。

使用在共享变量前加上volatile实现同步的方法,能够提供更”轻量级“的同步:

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classTest{

staticvolatileinti=0,j=0;

staticvoidwrite(){

i+=10;

j+=5;

}

staticvoidread(){

System.out.println("i="+i+"j="+j);

}

}

write方法和read方法还会并发的去执行,但是加上volatile可以将共享变量i和j的改变直接响应到主内存中,这样保证了主内存中i和j的值一致性,然而在执行read方法时,在read方法获取到i的值和获取到j的值中间的这段时间,write方法也许被执行了好多次,导致j的值会大于i的值。

所以volatile可以保证内存可见性,不能保证并发有序性。

Java中的volatile变量可以被看作是一种“程度较轻的synchronized”;与synchronized块相比,volatile变量所需的编码较少,并且运行时开销也较少,但是它所能实现的功能也仅是synchronized的一部分。

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。

您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:

1、对变量的写操作不依赖于当前值。

2、该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

实际上,这些条件表明,可以被写入volatile变量的这些有效值独立于任何程序的状态,包括变量的当前状态。

第一个条件的限制使volatile变量不能用作线程安全计数器。

虽然增量操作(x++)看上去类似一个单独操作,实际上它是一个由读取-修改-写入操作序列组成的组合操作,必须以原子方式执行,而volatile不能提供必须的原子特性。

实现正确的操作需要使x的值在这个组合操作的期间保持不变,而volatile变量无法实现这点(然而,如果将值调整为只从单个线程写入,那么可以忽略第一个条件)。

大多数编程情形都会与这两个条件的其中之一冲突,使得volatile变量不能像synchronized那样普遍适用于实现线程安全。

在JDK5.0之前,如果没有参透volatile的使用场景,还是不要使用了,尽量用synchronized来处理同步问题,线程阻塞这玩意简单粗暴。

二、Lock框架实现同步

我们已经知道,synchronized是Java的关键字,是Java的内置特性,在JVM层面实现了对临界资源的同步互斥访问,但synchronized粒度有些大,在处理实际问题时存在诸多局限性,比如响应中断等。

Lock提供了比synchronized更广泛的锁操作,它能以更优雅的方式处理线程同步问题。

如果一个代码块被synchronized关键字修饰,当一个线程获取了对应的锁,并执行该代码块时,其他线程便只能一直等待直至占有锁的线程释放锁。

事实上,占有锁的线程释放锁一般会是以下三种情况之一:

1)占有锁的线程执行完了该代码块,然后释放对锁的占有;

2)占有锁线程执行发生异常,此时JVM会让线程自动释放锁;

3)占有锁线程进入WAITING状态从而释放锁,例如在该线程中调用wait()方法等。

synchronized是Java语言的内置特性,可以轻松实现对临界资源的同步互斥访问。

那么,为什么还会出现Lock呢?

试考虑以下三种情况:

Case1:

在使用synchronized关键字的情形下,假如占有锁的线程由于要等待IO或者其他原因(比如调用sleep方法)被阻塞了,但是又没有释放锁,那么其他线程就只能一直等待,别无他法。

这会极大影响程序执行效率。

因此,就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去(比如只等待一定的时间(解决方案:

tryLock(longtime,TimeUnitunit))或者能够响应中断(解决方案:

lockInterruptibly())),这种情况可以通过Lock解决。

Case2:

我们知道,当多个线程读写文件时,读操作和写操作会发生冲突现象,写操作和写操作也会发生冲突现象,但是读操作和读操作不会发生冲突现象。

但是如果采用synchronized关键字实现同步的话,就会导致一个问题,即当多个线程都只是进行读操作时,也只有一个线程在可以进行读操作,其他线程只能等待锁的释放而无法进行读操作。

因此,需要一种机制来使得当多个线程都只是进行读操作时,线程之间不会发生冲突。

同样地,Lock也可以解决这种情况(解决方案:

ReentrantReadWriteLock)。

Case3:

我们可以通过Lock得知线程有没有成功获取到锁(解决方案:

ReentrantLock),但这个是synchronized无法办到的。

上面提到的三种情形,我们都可以通过Lock来解决,但synchronized关键字却无能为力。

事实上,Lock是java.util.concurrent.locks包下的接口,Lock实现提供了比synchronized关键字更灵活、更广泛、粒度更细的锁操作,它能以更优雅的方式处理线程同步问题。

也就是说,Lock提供了比synchronized更多的功能。

但是要注意以下几点:

1)synchronized是Java的关键字,因此是Java的内置特性,是基于JVM层面实现的。

而Lock是一个Java接口,是基于JDK层面实现的,通过这个接口可以实现同步访问;

2)采用synchronized方式不需要用户去手动释放锁,当synchronized方法或者synchronized代码块执行完之后,系统会自动让线程释放对锁的占用;而Lock则必须要用户去手动释放锁(发生异常时,不会自动释放锁),如果没有主动释放锁,就有可能导致死锁现象。

2.1Lock接口

通过查看Lock的源码可知,Lock是一个接口:

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publicinterfaceLock{

voidlock();

voidlockInterruptibly()throwsInterruptedException;//可以响应中断

booleantryLock();

booleantryLock(longtime,TimeUnitunit)throwsInterruptedException;//可以响应中断

voidunlock();

ConditionnewCondition();

}

lock()、tryLock()、tryLock(longtime,TimeUnitunit)和lockInterruptibly()都是用来获取锁的。

unLock()方法是用来释放锁的。

newCondition()返回绑定到此Lock的新的Condition实例,用于线程间的协作。

在Lock接口中声明了四个方法来获取锁,那么这四个方法有何区别呢?

首先,lock()方法是平常使用得最多的一个方法,就是用来获取锁。

如果锁已被其他线程获取,则进行等待。

在前面已经讲到,如果采用Lock,必须主动去释放锁,并且在发生异常时,不会自动释放锁。

因此,一般来说,使用Lock必须在try…catch…块中进行,并且将释放锁的操作放在finally块中进行,以保证锁一定被被释放,防止死锁的发生。

通常使用Lock来进行同步的话,是以下面这种形式去使用的:

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Locklock=...;

lock.lock();

try{

//处理任务

}catch(Exceptionex){

}finally{

lock.unlock();//释放锁

}

tryLock()方法是有返回值的,它表示用来尝试获取锁,如果获取成功,则返回true;如果获取失败(即锁已被其他线程获取),则返回false,也就是说,这个方法无论如何都会立即返回(在拿不到锁时不会一直在那等待)。

tryLock(longtime,TimeUnitunit)方法和tryLock()方法是类似的,只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间,在时间期限之内如果还拿不到锁,就返回false,同时可以响应中断。

如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁,则返回true。

一般情况下,通过tryLock来获取锁时是这样使用的:

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Locklock=...;

if(lock.tryLock()){

try{

//处理任务

}catch(Exceptionex){

}finally{

lock.unlock();//释放锁

}

}else{

//如果不能获取锁,则直接做其他事情

}

lockInterruptibly()方法比较特殊,当通过这个方法去获取锁时,如果线程正在等待获取锁,则这个线程能够响应中断,即中断线程的等待状态。

例如,当两个线程A与B同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时,假若此时线程A获取到了锁,而线程B只能继续等待,那么对线程B调用threadB.interrupt()方法就能够中断线程B的等待过程。

所以lock.lockInterruptibly()必须放在try块中或者在调用lockInterruptibly()的方法外声明抛出InterruptedException,但推荐使用后者,原因稍后阐述。

因此,lockInterruptibly()一般的使用形式如下:

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publicvoidmethod()throwsInterruptedException{

pre">//将异常抛出,交给上层调用者处理

lock.lockInterruptibly();

try{

//.....

}

finally{

lock.unlock();

}

}

注意,当一个线程获取了锁之后,是不会被interrupt()方法中断的。

因为interrupt()方法只能中断阻塞过程中的线程而不能中断正在运行过程中的线程。

因此,当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时,如果不能获取到,那么只有在继续等待的情况下,才可以响应中断的。

使用synchronized获取锁,当一个线程处于等待某个锁的状态时,是无法被中断的,只有一直等待下去。

需要特别注意的是,在使用Lock时,无论以哪种方式获取锁,习惯上最好一律将获取锁的代码放到try…catch…,因为我们一般将锁的unlock操作放到finally子句中,如果线程没有获取到锁,在执行finally子句时,就会执行unlock操作,从而抛出IllegalMonitorStateException,因为该线程并未获得到锁却执行了解锁操作。

2.2、ReentrantLock

ReentrantLock,即可重入锁。

ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类,并且ReentrantLock提供了更多的方法。

下面通过一些实例学习如何使用ReentrantLock。

[java]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片

publicclassTest{

privateArrayListarrayList=newArrayList();

publicstaticvoidmain(String[]args){

finalTesttest=newTest();

newThread("A"){

publicvoidrun(){

test.insert(Thread.currentThread());

};

}.start();

newThread("B"){

publicvoidrun(){

test.insert(Thread.currentThread());

};

}.start();

}

publicvoidinsert(Threadthread){

Locklock=newReentrantLock();//注意这个地方:

lock被声明为局部变量

lock.lock();

try{

System.out.println("线程"+thread.getName()+"得到了锁...");

for(inti=0;i<5;i++){

arrayList.add(i);

}

}catch(Exceptione){

}finally{

System.out.println("线程"+thread.getName()+"释放了锁...");

lock.unlock();

}

}

}

运行结果:

[java]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片

线程A得到了锁...

线程B得到了锁...

线程A释放了锁...

线程B释放了锁...

结果或许让人觉得诧异。

第二个线程怎么会在第一个线程释放锁之前得到了锁?

原因在于,在insert方法中的lock变量是局部变量,每个线程执行该方法时都会保存一个副本,那么每个线程执行到lock.lock()处获取的是不同的锁,所以就不会对临界资源形成同步互斥访问。

因此,我们只需要将lock声明为成员变量即可,代码修改如下所示。

[java]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片

publicclassTest{

privateArrayListarrayList=newArrayList();

privateLocklock=newReentrantLock();//注意这个地方:

lock被声明为成员变量

...

}

修改后的运行结果:

[java]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我

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