java并發(fā)編程之線程的同步怎么實(shí)現(xiàn)

不懂java并發(fā)編程之線程的同步怎么實(shí)現(xiàn)？其實(shí)想解決這個問題也不難，下面讓小編帶著大家一起學(xué)習(xí)怎么去解決，希望大家閱讀完這篇文章后大所收獲。

在現(xiàn)實(shí)開發(fā)中，我們或多或少的都經(jīng)歷過這樣的情景：某一個變量被多個用戶并發(fā)式的訪問并修改，如何保證該變量在并發(fā)過程中對每一個用戶的正確性呢？今天我們來聊聊線程同步的概念。

一般來說，程序并行化是為了獲得更高的執(zhí)行效率，但前提是，高效率不能以犧牲正確性為代價。如果程序并行化后， 連基本的執(zhí)行結(jié)果的正確性都無法保證， 那么并行程序本身也就沒有任何意義了。因此， 線程安全就是并行程序的根本和根基。解決這些問題從臨界區(qū)的概念開始。臨界區(qū)是訪問一個共享資源在同一時間不能被超過一個線程執(zhí)行的代碼塊。

java為我們提供了同步機(jī)制，幫助程序員實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)。當(dāng)一個線程想要訪問一個臨界區(qū),它使用其中的一個同步機(jī)制來找出是否有任何其他線程執(zhí)行臨界區(qū)。如果沒有，這個線程就進(jìn)入臨界區(qū)。否則，這個線程通過同步機(jī)制暫停直到另一個線程執(zhí)行完臨界區(qū)。當(dāng)多個線程正在等待一個線程完成執(zhí)行的一個臨界 區(qū)，JVM選擇其中一個線程執(zhí)行，其余的線程會等待直到輪到它們。臨界區(qū)有如下的規(guī)則：

1. 如果有若干進(jìn)程要求進(jìn)入空閑的臨界區(qū)，一次僅允許一個進(jìn)程進(jìn)入。
2. 任何時候，處于臨界區(qū)內(nèi)的進(jìn)程不可多于一個。如已有進(jìn)程進(jìn)入自己的臨界區(qū)，則其它所有試圖進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程必須等待。
3. 進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程要在有限時間內(nèi)退出，以便其它進(jìn)程能及時進(jìn)入自己的臨界區(qū)。
4. 如果進(jìn)程不能進(jìn)入自己的臨界區(qū)，則應(yīng)讓出CPU，避免進(jìn)程出現(xiàn)“忙等”現(xiàn)象
   

java語言為解決同步問題幫我們提供了兩種機(jī)制來實(shí)現(xiàn)：

1. synchronized關(guān)鍵字；
2.  Lock鎖及其實(shí)現(xiàn)；

synchronized的作用

關(guān)鍵字synchronized 的作用是實(shí)現(xiàn)線程間的同步。它的工作是對同步的代碼加鎖，使得每一次， 只能有一個線程進(jìn)入同步塊，從而保證線程間的安全性。

關(guān)鍵宇synchronized 可以有多種用法。這里做一個簡單的整理。

· 指定加鎖對象: 對給定對象加鎖，進(jìn)入同步代碼前要獲得給定對象的鎖。
· 直接作用于實(shí)例方法: 相當(dāng)于對當(dāng)前實(shí)例加鎖，進(jìn)入同步代碼前要獲得當(dāng)前實(shí)例的鎖。
. 直接作用于靜態(tài)方法: 相當(dāng)于對當(dāng)前類加鎖， 進(jìn)入同步代碼前要獲得當(dāng)前類的鎖。

1.給指定對象加鎖：

  public class AccountingSync implements Runnable{
    static AccountingSync instance=new AccountingSync() ;
    static int i =O;
    @Override
    public void run() (
    for(int j=O; j<lOOOOOOO; j++) {
      synchronized (instance) {  //對象鎖
        i++ ;
      }
    }
  }

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException (
    Thread t1=new Thread(instance);
    Thread t2=new Thread(instance);
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    System.out.println(i);
  }

  /*

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException (
    Thread t1=new Thread(new AccountingSync());
    Thread t2=new Thread(new AccountingSync());
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    System.out.println(i);
  }

  */

知道我為什么要給出兩個main方法讓大家參考嗎？上述鎖對象是鎖定AccountingSync實(shí)例對象。第一個main方法中t1 和 t2 兩個線程同時指向了instance實(shí)例，所以第7行的鎖對象synchronized (instance)在線程t1 和 線程 t2 獲得鎖的時候是獲取同一個對象的，這個時候的鎖是同一把鎖。但是在第二個main方法中我們可以看到線程t1 和 線程 t2分別對應(yīng)的是兩個不同的AccountingSync對象，這時候鎖對象獲得的是不同的AccountingSync實(shí)例，安全性是沒有保證的，大家可以動手嘗試一下。

2.直接作用于實(shí)例方法：

  public class TestSynchronized {
    public static void main(String[] args) {
      Tester2 a1 = new Tester2();
      Th t1 = new Th(a1);
      t1.start();
      Th t2 = new Th(a1);
      t2.start();
    }

  }
  class Tester2 {
    public synchronized void say(String name) throws InterruptedException{
      for(int i = 0;i<5;i++){
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println();
        System.out.println(name +","+i+new Date().toLocaleString() );
      }
    }
  }
  class Th extends Thread{
    Tester2 test;
    public Th(Tester2 test1){
      test = test1;
    } 
    public void run(){
      try {
        test.say(Thread.currentThread().getName());
      } catch (InterruptedException e) {
        // TODO Auto-generated catch block
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }

對Tester2類中的方法使用synchronized很好理解，同一時刻如果t1正在調(diào)用say()方法，在他沒有執(zhí)行完畢并退出方法之前其余的線程是無法獲得該方法的。只能排隊(duì)等待知道t1執(zhí)行完畢。

3.作用于靜態(tài)方法：

 public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
      for(int i=0;i<50;i++){
        Thread t1 = new Thread(new Sale(5));
        Thread t2 = new Thread(new Producted(5));
        t1.start();
        t2.start();
      }
    }
  }

  class Shop{
    static int a = 40;
    synchronized static void shopping(int b){
      a -= b;
      System.out.println("售出 "+b+" 張大餅，"+"還剩 "+a+" 張大餅");
    }

    synchronized static void factory(int c){
      a += c;
      System.out.println("倉庫還有 "+a+" 張大餅");
    }
  }

  class Sale implements Runnable{
    int b = 0;
    public Sale(int b){
      this.b = b;
    }

    @Override
    public void run() {
      if(b<0){
        Thread.interrupted();
      }
      Shop.shopping(b);
      try {
        Thread.sleep(1000);
        Shop.factory(b-5);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }

  class Producted implements Runnable{
    int b = 0;
    public Producted(int b){
      this.b = b;
    }

    @Override
    public void run() {
      Shop.factory(b);
      try {
        Thread.sleep(1000);
        Shop.shopping(b-5);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }

靜態(tài)方法前加synchronized這個鎖等價于鎖住了當(dāng)前類的class對象，因?yàn)殪o態(tài)方法或者是靜態(tài)關(guān)鍵字在本質(zhì)上是一個類對象，而不是成員對象，在內(nèi)存中位于方法區(qū)被所有的實(shí)例共享。即等同于synchronized(Shop.class)。我們需要注意的是鎖住了類并不代表鎖住了類所在的對象，類本身也是一種對象。它與類的實(shí)例是完全不同的兩個對象，在加鎖時不是相互依賴的，即對類加鎖并不與上面例子中的加鎖互斥，鎖住了子類或子類的對象與鎖住父類或父類的對象是不相關(guān)的。

synchronized的使用其實(shí)主要是前面兩種，對象鎖和方法鎖，靜態(tài)方法鎖我們并不常用到。其余的操作方式都是在這兩種的基礎(chǔ)上演變而來，比如大家經(jīng)常說的“塊級鎖”：

  synchronized(object){
    //代碼內(nèi)容
  }

鎖住的其實(shí)并不是代碼塊，而是object這個對象，所以如果在其他的代碼中
也發(fā)生synchronized(object)時就會發(fā)生互斥。我們?yōu)槭裁匆芯窟@些呢，因?yàn)槿绻覀儾恢牢覀冩i住的是什么，就不清楚鎖住了多大范圍的內(nèi)容，自然就不知道是否鎖住了想要得到互斥的效果，同時也不知道如何去優(yōu)化鎖的使用。

因此java中的synchronized就真正能做到臨界區(qū)的效果，在臨界區(qū)內(nèi)多個線程的操作絕對是串行的，這一點(diǎn)java絕對可以保證。同時synchronized造成的開銷也是很大的，我們?nèi)绻麩o法掌握好他的粒度控制，就會導(dǎo)致頻繁的鎖征用，進(jìn)入悲觀鎖狀態(tài)。

volatile—-輕量級的synchronized

既然我們說到了synchronized那就不得不提到volatile，在java中synchronized是控制并發(fā)的，我們知道在我們對一個變量執(zhí)行賦值操作的時候比如：i++，在執(zhí)行完畢之后i的結(jié)果其實(shí)是寫到緩存中的它并沒有及時的寫入到內(nèi)存，后續(xù)在某些情況下（比如cpu緩存不夠）再將cpu緩存寫入內(nèi)存，假設(shè)A線程正在執(zhí)行i++操作，而此時B線程也來執(zhí)行。B在執(zhí)行i++之前是不會自己跑到緩存中去取變量的值的，它只會去內(nèi)存中讀取i，很顯然i的值是沒有被更新的，為了防止這種情況出現(xiàn)，volatile應(yīng)運(yùn)而生。

Java語言規(guī)范第三版中對volatile的定義如下： java編程語言允許線程訪問共享變量，為了確保共享變量能被準(zhǔn)確和一致的更新，線程應(yīng)該確保通過排他鎖單獨(dú)獲得這個變量。Java語言提供了volatile，在某些情況下比鎖更加方便。如果一個字段被聲明成volatile，java線程內(nèi)存模型確保所有線程看到這個變量的值是一致的。

我們來看一個例子：

  public class TestWithoutVolatile {
    private static boolean bChanged; 

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
      new Thread() { 
        @Override 
        public void run() { 
          for (;;) { 
            if (bChanged == !bChanged) { 
              System.out.println("!="); 
              System.exit(0); 
            } 
          } 
        } 
      }.start(); 
      Thread.sleep(1); 
      new Thread() { 
        @Override 
        public void run() { 
          for (;;) { 
            bChanged = !bChanged; 
          } 
        } 
      }.start(); 
     } 
  }

在上例中我們?nèi)绻啻芜\(yùn)行會出現(xiàn)兩種結(jié)果，一種是正常打?。骸?=”,還有一種就是程序會陷入死循環(huán)。但是我們?nèi)绻obChanged前面加上volatile的話則每次都會打印出”!=”,請讀者朋友們下去可以嘗試。
在此處沒有加volatile之前之所以會出現(xiàn)有時可以出現(xiàn)正確結(jié)果有時則卡死的原因就在于兩個線程同時在運(yùn)行的過程中雙方都在操作bChanged變量，但是該變量的值對于同時在使用它的另一個線程來說并不總是可見的，運(yùn)氣好的時候線程修改完值之后就寫入主存，運(yùn)氣不好的時候線程只在緩存中更新了值并未寫入主存。但是在加了volatile修飾之后效果則不同，因?yàn)関olatile可以保證變量的可見性。
說到可見性，我們來看一幅圖：

每一個線程都有相應(yīng)的工作內(nèi)存，工作內(nèi)存中有一份主內(nèi)存變量的副本，線程對變量的操作都在工作內(nèi)存中進(jìn)行（避免再次訪問主內(nèi)存，提高性能），不同線程不能訪問彼此的工作內(nèi)存，而通過將操作后的值刷新到主內(nèi)存來進(jìn)行彼此的交互，這就會帶來一個變量值對其他線程的可見性問題。當(dāng)一個任務(wù)在工作內(nèi)存中變量值進(jìn)行改變，其他任務(wù)對此是不可見的，導(dǎo)致每一個線程都有一份不同的變量副本。而volatile恰恰可以解決這個可見性的問題，當(dāng)變量被volatile修飾，如private volatile int stateFlag = 0; 它將直接通過主內(nèi)存中被讀取或者寫入，線程從主內(nèi)存中加載的值將是最新的。

但是volatile的使用有著嚴(yán)格的限制，當(dāng)對變量的操作依賴于以前值（如i++）,或者其值被其他字段的值約束，這個時候volatile是無法實(shí)現(xiàn)線程安全的。被volatile修飾的變量必須獨(dú)立于程序的其他狀態(tài)。因?yàn)関olatile只是保證了變量的可見性，并不能保證操作的原子性，所謂原子性，即有“不可分”的意思，如對基本數(shù)據(jù)類型(java中排除long和double)的賦值操作a=6,如返回操作return a，這些操作都不會被線程調(diào)度器中斷，同一時刻只有一個線程對它進(jìn)行操作。
看以下代碼：

public class Counter {
    public volatile static int count = 0;
    public static void inc() {

      //這里延遲1毫秒，使得結(jié)果明顯
      try {
        Thread.sleep(1);
      } catch (InterruptedException e) {

      }
      count++;
    }

    public static void main(String[] args) {
      //同時啟動1000個線程，去進(jìn)行i++計(jì)算，看看實(shí)際結(jié)果
      for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        new Thread(new Runnable() {
          @Override
          public void run() {
            Counter.inc();
          }
        }).start();
      }
      //這里每次運(yùn)行的值都有可能不同,可能為1000
      System.out.println("運(yùn)行結(jié)果:Counter.count=" + Counter.count);
    }
  }

運(yùn)行上面的例子我們可以發(fā)現(xiàn)每次運(yùn)行的結(jié)果都不一樣，預(yù)期結(jié)果應(yīng)該是1000，盡管counter被volatile修飾，保證了可見性，但是counter++并不是一個原子性操作，它被拆分為讀取和寫入兩部分操作，我們需要用synchronized修飾：

  publicstaticsynchronizedvoid incNum() {
    counter++;
  }

此時每次運(yùn)行結(jié)果都是1000，實(shí)現(xiàn)了線程安全。synchronized是一種獨(dú)占鎖，它對一段操作或內(nèi)存進(jìn)行加鎖，當(dāng)線程要操作被synchronized修飾的內(nèi)存或操作時，必須首先獲得鎖才能進(jìn)行后續(xù)操作；但是在同一時刻只能有一個線程獲得相同的一把鎖，所以它只允許一個線程進(jìn)行操作。synchronized同樣能夠?qū)⒆兞孔钚轮邓⑿碌街鲀?nèi)存，當(dāng)一個變量只被synchronized方法操作時,是沒有必要用volatile修飾的，所以我們接著把變量聲明修改為：

  private static int counter;

多次運(yùn)行結(jié)果依舊是1000。

說明：

上例中如果你按照上面這樣改完之后其實(shí)結(jié)果并是不1000，我多次運(yùn)行的結(jié)果都是先打印出”運(yùn)行結(jié)果:Counter.count=0”,然后線程卡死。究其原因，我猜可能是第一個線程等待一秒再執(zhí)行count++，然后后面的線程在這個等待過程中等不及的原因。java線程的運(yùn)行具有不確定性，不能保證線程會按部就班的順序執(zhí)行，所以會出現(xiàn)什么樣的后果很難預(yù)測。
正確結(jié)果代碼如下：

public class Counter {
    public static int count = 0;
    public synchronized static void inc() {   
      count++;
    }

    public static void main(String[] args) {
      //同時啟動1000個線程，去進(jìn)行i++計(jì)算，看看實(shí)際結(jié)果
      for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        new Thread(new Runnable() {
          @Override
          public void run() {
            Counter.inc();
          }
        }).start();
      }
      //這里每次運(yùn)行的值都有可能不同,可能為1000
      System.out.println("運(yùn)行結(jié)果:Counter.count=" + Counter.count);
    }
  }

綜上所述，由于volatile只能保證變量對多個線程的可見性，但不能保證原子性，它的同步機(jī)制是比較脆弱的，它在使用過程中有著諸多限制，對使用者也有更高的要求，相對而言，synchronized鎖機(jī)制是比較安全的同步機(jī)制，有時候出于提高性能的考慮，可以利用volatile對synchronized進(jìn)行代替和優(yōu)化，但前提是你必須充分理解其使用場景和涵義。

感謝你能夠認(rèn)真閱讀完這篇文章，希望小編分享java并發(fā)編程之線程的同步怎么實(shí)現(xiàn)內(nèi)容對大家有幫助，同時也希望大家多多支持億速云，關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道，遇到問題就找億速云，詳細(xì)的解決方法等著你來學(xué)習(xí)!