java进阶知识--线程安全

一、 线程安全

　1.1 概述

　　　　线程安全：在多线程对同一资源并发访问下可能会造成数据的安全问题。

　　　　线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；若有多个线程同时执行写操作，一般都需要考虑线程同步，否则的话就可能影响线程安全。

　　　　也就是说，我们可以通过考虑线程的同步，来解决线程安全问题。

　　　　java中提供了线程同步机制（synchronized），为了保证每个线程都能正常的执行原子操作，也就是说在某个线程修改共享资源的时候，其他线程不能修改该资源，等待修改完毕同步之后，才能去抢夺CPU资源，完成对应的操作，保证了数据的同步性，从而解决线程安全问题。

　　　　同步：同步是阻塞模式，一个线程要阻塞另一个线程的运行，即向服务器发送请求时，必须等待服务端响应后才可以进行下一步动作。

　　　　异步：异步是非阻塞模式，线程之间毫无关系、互不影响，不需要等待服务端响应，就可以进行下一步动作。

　1.2 线程同步

　　　　　解决线程安全问题的方案。
　　　　　完成同步操作的三种加锁方式：
　　　　　　　　　　　　① 同步代码块　　
　　　　　　　　　　　　② 同步方法　　
　　　　　　　　　　　　③ 同步锁（Lock锁）

　　　1.2.1 同步代码块

　　　　　synchronized关键字可以用于方法中的某个区块中，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。

　　　　　格式：

?

1 2 3

synchronized(同步锁) { 　　　　//需要同步访问共享资源的核心代码 }

同步代码块中的同步锁：对象的同步锁只是一个概念，可以想象为在对象上标记了一个锁。

　　1. 锁对象可以是任意类型；（锁对象用任意唯一的对象不好，因为会影响其他无关线程的执行。建议使用共享资源作为锁对象。所以用下面的对象作为同步锁）：

• 对于非static同步方法，同步锁就是this；
• 对于static同步方法，我们使用当前方法所在类的字节码对象（类名.class）。

　　2. 多个线程对象，要使用同一把锁；
　　3. 在任何时候，最多允许一个线程拥有同步锁，只有在释放锁后，下一个线程才可以抢占进入执行。

　　　1.2.2 同步方法

　　　　　使用synchronized修饰的方法，就叫做同步方法，保证一个线程执行该方法的时候，其他线程只能在方法外等着。

　　　　　格式：

?

1 2 3

public synchronized void method() { 　　　　//可能会产生线程安全的代码 }

　　　　　底层原理：同步方法其实底层也是有隐式锁对象的，只是锁的范围是整个方法代码。

同步方法中的同步锁：

　　1.对于非static同步方法，默认同步锁就是this；
　　2.对于static同步方法，默认我们使用当前方法所在类的字节码对象（类名.class）。

　　　1.2.3 同步锁--Lock锁

　　　　java.util.concurrent.locks.Lock机制提供了比synchronized代码块和synchronized方法更广泛的锁定操作，同步代码块/同步方法具有的功能Lock都有，除此之外更强大，更体现面向对象。可以支持多个相关的 Condition 对象。

　　Condition 将 Object 监视器方法（wait、notify 和 notifyAll）分解成截然不同的对象，以便通过将这些对象与任意 Lock 实现组合使用，为每个对象提供多个等待 set（wait-set）。其中，Lock 替代了 synchronized 方法和语句的使用，Condition 替代了 Object 监视器方法的使用。 

　　　　Lock锁也称同步锁，加锁与释放锁方法化了，如下:

• • • public void lock();  //加同步锁。
    • public void unlock(); //释放同步锁。

　　　　在调用lock锁方法时，需先在成员位置创建一个ReentrantLock读取锁对象（ReentrantLock是Lock接口的实现类），然后用对象的引用调取相应的方法。

?

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

public class Ticket implements Runnable {     //共100票     int ticket = 100;           //创建Lock锁对象     final Lock ck = new ReentrantLock();           @Override     public void run() {         //模拟卖票         while(true){             //synchronized (lock){             ck.lock();                 if (ticket > 0) {                     //模拟选坐的操作                     try {                         Thread.sleep(10);                     } catch (InterruptedException e) {                         e.printStackTrace();                     }                     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在卖票:" + ticket--);                 }             ck.unlock();             //}         }     } }

　1.3 简述 synchronized和java.util.concurrent.locks.Lock的异同

　　　　　　主要相同点：Lock能完成synchronized所实现的所有功能；

　　　　　　主要不同点：Lock有比synchronized更精确的线程语义和更好的性能；

　　　　　　　　　　synchronized会自动释放锁，而Lock一定要手动释放，并且必须在finally从句中释放。

　　　　　　　　　　Lock还有更强大的功能，例如：Lock的tryLock()方法可以非阻塞方式去拿锁。

　　JDK 1.5 提供了多线程升级解决方案，将同步synchronized替换成显示Lock操作。

　　将Object中的wait、notify、notifyAll，替换成Condition对象，该对象可以Lock锁的newCondition() 方法去获取。再通过Condition对象去操作线程的等待await()唤醒signal()、signalAll()。

 

二、线程状态

　2.1 概述

　　　　当线程被创建并启动以后，它既不是一启动就进入了执行状态，也不是一直处于执行状态。在线程的生命周期中，有几种状态呢?

　　　　在API中java.lang.Thread.State这个枚举中给出了六种线程状态：

线程状态	导致状态发生条件
New(新建)	线程刚被创建，但是并未启动。还没调用start方法。
Runnable(可运行)	线程可以在java虚拟机中运行的状态，可能正在运行自己代码，也可能没有，这取决于操作系统处理器。
Blocked(锁阻塞)	当一个线程试图获取一个对象锁，而该对象锁被其他的线程持有，则该线程进入Blocked状态;当该线程持有锁时，该线程将变成Runnable状态。
Waiting(无限等待)	一个线程在等待另一个线程执行一个(唤醒）动作时，该线程进入Waiting状态。进入这个状态后是不能自动唤醒的，必须等待另一个线程调用notify或者notifyAll方法才能够唤醒。
Timed Waiting(计时等待)	同waiting状态，有几个方法有超时参数，调用他们将进入Timed Waiting状态。这一状态将一直保持到超时期满或者接收到唤醒通知。带有超时参数的常用方法有Thread.sleep、object.wait。
Teminated(被终止)	因为run方法正常退出而死亡，或者因为没有捕获的异常终止了run方法而死亡。

　2.2 Timed Waiting(计时等待)

　　　　计时等待，顾名思义就是给线程设置一个等待时间，使得线程进入等待状态，这一状态将一直保持到超时期满或者接收到唤醒通知。

　　　　带有计时参数的常用方法有Thread.sleep、object.wait。

注意：　调用sleep(毫秒值)方法时，线程是不释放锁对象的，时间一到，直接进入可运行状态；

　　　　调用wait(毫秒值)方法时，线程释放锁对象。

　2.3 Blocked(锁阻塞)

　　　　一个正在阻塞等待一个监视器锁（锁对象）的线程处于这一状态。

　2.4 Waiting(无限等待)

　　　　一个正在无限期等待另一个线程执行一个特别的（唤醒）动作的线程处于这一状态。——Waiting(无限等待)

　　　　进入waiting状态的方法： 锁对象.wait()；//无限等待，注意：wait方法若带参，则进入计时等待状态

　　　　唤醒线程的方法：

　　　　　　① 锁对象.notify();　　//唤醒一个线程

　　　　　　② 锁对象.notifyAll();　//唤醒所有线程

 

 

三、等待唤醒机制

　3.1 线程间通信

　　　　概述：多个线程在处理同一个资源，但是处理的动作（线程的任务）却不相同。比如线程A为生产者，线程B为消费者，那么线程A、B之间就存在线程通信问题。

　　　　为什么需要线程间通信：

　　　　　　多个线程并发执行时, 在默认情况下CPU是随机切换线程的，当我们需要多个线程来共同完成一件任务，并且我们希望他们有规律的执行, 那么多线程之间需要一些协调通信，以此来帮我们达到多线程共同操作一份数据。

　　　　如何保证线程间通信有效利用资源：

　　　　　　多个线程在处理同一个资源，并且任务不同时，需要线程通信来帮助解决线程之间对同一个变量的使用或操作。 就是多个线程在操作同一份数据时， 避免对同一共享变量的争夺。也就是我们需要通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。而这种手段即—— 等待唤醒机制。

　3.2 等待唤醒机制

　　　　概述：线程间除了有竞争，也有协作。就是在一个线程进行了规定操作后，就进入等待状态（wait()）， 等待其他线程执行完他们的指定代码过后再将其唤醒（notify()）;在有多个线程进行等待时， 如果需要，可以使用 notifyAll()来唤醒所有的等待线程。

　　　　　　wait/notify 就是线程间的一种协作机制。等待唤醒机制其实就是经典的“生产者与消费者”的问题。

　　　　调用wait和notify方法需要注意的细节

1. 1. wait方法与notify方法必须要由同一个锁对象调用。因为：对应的锁对象可以通过notify唤醒使用同一个锁对象调用的wait方法后的线程。

   2. wait方法与notify方法是属于Object类的。因为：锁对象可以是任意对象，而任意对象的所属类都是继承了Object类的。

   3. wait方法与notify方法必须要在同步代码块或者是同步方法中使用。因为：必须要通过锁对象调用这2个方法。