java并发之线程同步（synchronized和锁机制）

多个执行线程共享一个资源的情景，是并发编程中最常见的情景之一。多个线程读或者写相同的数据等情况时可能会导致数据不一致。为了解决这些问题，引入了临界区概念。临界区是一个用以访问共享资源的代码块，这个代码块在同一时间内只允许一个线程执行。

Java提供了同步机制。当一个线程试图访问一个临界区时，它将使用一种同步机制来查看是不是已有其他线程进入临界区。如果没有其他线程进入临界区，它就可以进入临界区；如果已有线程进入了临界区，它就被同步机制挂起，直到进入的线程离开这个临界区。如果在等待进入临界区的线程不止一个，JVM会随机选择其中的一个，其余的将继续等待。

概念比较好理解，具体在java程序中是如何体现的呢？临界区对应的代码是怎么样的？

使用synchronized实现同步方法

每一个用synchronized关键字声明的方法都是临界区。在Java中，同一个对象的临界区，在同一时间只有一个允许被访问。

注意：用synchronized关键字声明的静态方法，同时只能被一个执行线程访问，但是其他线程可以访问这个对象的非静态方法。即：两个线程可以同时访问一个对象的两个不同的synchronized方法，其中一个是静态方法，一个是非静态方法。

知道了synchronized关键字的作用，再来看一下synchronized关键字的使用方式。

• 在方法声明中加入synchronized关键字

• public synchronized void addAmount(double amount) {
  }

• 在代码块中使用synchronized关键字，obj一般可以使用this关键字表示本类对象

• synchronized(obj){
  }

需要注意的是：前面已经提到，引入synchronized关键字是为了声明临界区，解决在多线程环境下共享变量的数据更改安全问题。那么，一般用到synchronized关键字的地方也就是 在对共享数据 访问或者修改的地方。下面举一个例子，例子场景是这样：公司定时会给账户打款，银行对账户进行扣款。那么款项对于银行和公司来说就是一个共享数据。那么synchronized关键字就应该在修改账户的地方使用。

声明一个Account类：

public class Account {
    private double balance;
    public double getBalance() {
        return balance;
    }
    public void setBalance(double balance) {
        this.balance = balance;
    }
    public synchronized void addAmount(double amount) {
        double tmp=balance;
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        tmp+=amount;
        balance=tmp;
    }
    public synchronized void subtractAmount(double amount) {
        double tmp=balance;
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        tmp-=amount;
        balance=tmp;
    }
}

Bank类扣款：

public class Bank implements Runnable {
    private Account account;
    public Bank(Account account) {
        this.account=account;
    }
    public void run() {
        for (int i=0; i<100; i++){
            account.subtractAmount(1000);
        }
    }
}

Company类打款：

public class Company implements Runnable {
    private Account account;
    public Company(Account account) {
        this.account=account;
    }

    public void run() {
        for (int i=0; i<100; i++){
            account.addAmount(1000);
        }
    }
}

这里需要注意的就是：在Bank和Company的构造函数里面传递的参数是Account，就是一个共享数据。

Main函数：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Account    account=new Account();
        account.setBalance(1000);
        Company    company=new Company(account);
        Thread companyThread=new Thread(company);
        Bank bank=new Bank(account);
        Thread bankThread=new Thread(bank);

        companyThread.start();
        bankThread.start();
        try {
            companyThread.join();
            bankThread.join();
            System.out.printf("Account : Final Balance: %f\n",account.getBalance());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

这个例子比较简单，但是可以说明问题。

补充：

1、synchronized关键字会降低应用程序的性能，因此只能在并发场景中修改共享数据的方法上使用它。

2、临界区的访问应该尽可能的短。方法的其余部分保持在synchronized代码块之外，以获取更好的性能

使用非依赖属性实现同步

非依赖属性：例如在一个类中有两个非依赖属性，Object obj1,Object obj2;他们被多个线程共享，那么同一时间只允许一个线程访问其中的一个属性变量，其他的某个线程访问另一个属性变量。

举例如下：两个看电影的房间和两个售票口，一个售票处卖出的一张票，只能用于其中的一个电影院。不能同时作用于两个电影房间。

Cinema类：

public class Cinema {
    private long vacanciesCinema1;
    private long vacanciesCinema2;

    private final Object controlCinema1, controlCinema2;

    public Cinema(){
        controlCinema1=new Object();
        controlCinema2=new Object();
        vacanciesCinema1=20;
        vacanciesCinema2=20;
    }
    
    public boolean sellTickets1 (int number) {
        synchronized (controlCinema1) {
            if (number<vacanciesCinema1) {
                vacanciesCinema1-=number;
                return true;
            } else {
                return false;
            }
        }
    }
    
    public boolean sellTickets2 (int number){
        synchronized (controlCinema2) {
            if (number<vacanciesCinema2) {
                vacanciesCinema2-=number;
                return true;
            } else {
                return false;
            }
        }
    }
    
    public boolean returnTickets1 (int number) {
        synchronized (controlCinema1) {
            vacanciesCinema1+=number;
            return true;
        }
    }
    public boolean returnTickets2 (int number) {
        synchronized (controlCinema2) {
            vacanciesCinema2+=number;
            return true;
        }
    }
    public long getVacanciesCinema1() {
        return vacanciesCinema1;
    }
    public long getVacanciesCinema2() {
        return vacanciesCinema2;
    }
}

这样的话，vacanciescinema1和vacanciescinema2（剩余票数）是独立的，因为他们属于不同的对象。这种情况下，只允许一个同时有一个线程修改vacanciescinema1或者vacanciescinema2，但是允许有两个线程同时修改vacanciescinema1和vacanciescinema2。

在同步块中使用条件（wait(),notify(),notifyAll()）

首先需要明确：

1. 上述三个方法都是Object 类的方法。
2. 上述三个方法都必须在同步代码块中使用。

当一个线程调用wait()方法时，JVM将这个线程置入休眠，并且释放控制这个同步代码块的对象，同时允许其他线程执行这个对象控制的其他同步代码块。为了唤醒这个线程，必须在这个对象控制的某个同步代码块中调用notify()或者notifyAll()方法。

上述一段话很重要！！！它说明了使用上述三个函数的方法以及方法的作用。

 

wait():将线程置入休眠状态，并且释放控制这个同步代码块的对象，释放了以后其他线程就可以执行这个对象控制的其他代码块。也就是可以进入了。这个和Thread.sleep(millions)方法不同，sleep()方法是睡眠指定时间后自动唤醒。

notify()/notifyAll():使用wait()方法休眠的线程需要在该对象控制的某个同步代码块中 调用notify或者notifyAll()方法去唤醒，才能进入就绪状态等待JVM的调用。否则一致处于休眠状态。

难点：线程休眠和唤醒的时机，就是说什么时候调用notify()或者notifyAll()方法？？？

拿生产者和消费者的例子来说：生产者往队列中塞数据，消费者从队列中取数据，所以这个队列是共享数据

数据存储类 EventStorage

塞数据方法和取数据方法：set()、get()

public synchronized void set(){
            while (storage.size()==maxSize){
                try {
                    wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            storage.add(new Date());
            System.out.printf("Set: %d\n", storage.size());
            notify();
    }    
   public synchronized void get(){
            while (storage.size()==0){
                try {
                    wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.printf("Get: %d: %s\n",storage.size(),((LinkedList<?>)storage).poll());
            notify();
    }

 

分析上面这个简单的程序：

1、方法使用synchronized关键字声明同步代码块。所以这个函数里面可以使用同步条件。

2、首先判断队列是否已经满了，这里要使用while而不是if。为什么呢？while是一致查询是否已经满了，而if是判断一次就完事了。

3、如果满了，调用wait()方法释放该对象，那么其他方法（例如get()）就可以使用这个对象了。get()方法进入后取出一个数据，然后唤醒上一个被休眠的线程。

4、虽然线程被唤醒了，但是由于get()方法线程占用对象锁，所以set()方法处于阻塞状态。直到get()方法取出所有的数据满足休眠条件以后，set()方法重新执行

5、重复以上步骤

使用锁实现同步

Java提供了同步代码块的另一种机制，它比synchronized关键字更强大也更加灵活。这种机制基于Lock接口及其实现类（例如：ReentrantLock）

它比synchronized关键字好的地方：

1、提供了更多的功能。tryLock()方法的实现，这个方法试图获取锁，如果锁已经被其他线程占用，它将返回false并继续往下执行代码。

2、Lock接口允许分离读和写操作，允许多个线程读和只有一个写线程。ReentrantReadWriteLock

3、具有更好的性能

一个锁的使用实例：

public class PrintQueue {
    private final Lock queueLock=new ReentrantLock();

    public void printJob(Object document){
        queueLock.lock();
        
        try {
            Long duration=(long)(Math.random()*10000);
            System.out.printf("%s: PrintQueue: Printing a Job during %d seconds\n",Thread.currentThread().getName(),(duration/1000));
            Thread.sleep(duration);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            queueLock.unlock();
        }
    }
}

声明一把锁，其中ReentrantLock（可重入的互斥锁）是Lock接口的一个实现

private final Lock queueLock=new ReentrantLock();

然后在函数里面调用lock()方法声明同步代码块（临界区）

queueLock.lock();

最后在finally块中释放锁，重要！！！

queueLock.unlock();

使用读写锁实现同步数据访问

锁机制最大的改进之一就是ReadWriteLock接口和他的唯一实现类ReentrantReadWriteLock.这个类有两个锁，一个是读操作锁，一个是写操作锁。使用读操作锁时可以允许多个线程同时访问，使用写操作锁时只允许一个线程进行。在一个线程执行写操作时，其他线程不能够执行读操作。

 

在调用写操作锁时，使用一个线程。

写操作锁的用法：

public void setPrices(double price1, double price2) {
        lock.writeLock().lock();
        this.price1=price1;
        this.price2=price2;
        lock.writeLock().unlock();
    }

读操作锁：

  public double getPrice1() {
        lock.readLock().lock();
        double value=price1;
        lock.readLock().unlock();
        return value;
    }
    public double getPrice2() {
        lock.readLock().lock();
        double value=price2;
        lock.readLock().unlock();
        return value;
    }

修改锁的公平性

ReentrantLock和ReetrantReadWriteLock构造函数都含有一个布尔参数fair。默认fair为false，即非公平模式。

公平模式：当有很多线程在等待锁时，锁将选择一个等待时间最长的线程进入临界区。

非公平模式：当有很多线程在等待锁时，锁将随机选择一个等待区（就绪状态）的线程进入临界区。

这两种模式只适用于lock()和unlock()方。而Lock接口的tryLock()方法没有将线程置于休眠，fair属性并不影响这个方法。

在锁中使用多条件（Multri Condition）

锁条件可以和synchronized关键字声明的临界区的方法（wait(),notify(),notifyAll()）做类比。锁条件通过Conditon接口声明。Condition提供了挂起线程和唤醒线程的机制。

使用方法：

private Condition lines;
    private Condition space;
     */
    public void insert(String line) {
        lock.lock();
        try {
            while (buffer.size() == maxSize) {
                space.await();
            }
            buffer.offer(line);
            System.out.printf("%s: Inserted Line: %d\n", Thread.currentThread()
                    .getName(), buffer.size());
            lines.signalAll();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
public String get() {
        String line=null;
        lock.lock();        
        try {
            while ((buffer.size() == 0) &&(hasPendingLines())) {
                lines.await();
            }
            
            if (hasPendingLines()) {
                line = buffer.poll();
                System.out.printf("%s: Line Readed: %d\n",Thread.currentThread().getName(),buffer.size());
                space.signalAll();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
        return line;
    }