[Java知识库] Java 多线程 —— 同步代码块（解决线程安全问题)

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[Java知识库]Java 多线程 —— 同步代码块（解决线程安全问题)

package test.MyThread.ticketDemo;

public class RunnableThread implements Runnable{
    private int ticket = 100;
    @Override
    public void run(){
        while(true){
            if(ticket>0){
                try {
                    Thread.sleep(100);  //语句一
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在出售第 "+ticket+" 张票");  //语句二
                ticket--;  //语句三
            }
        }
    }
}

package test.MyThread.ticketDemo;

public class ticketDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        RunnableThread r1 = new RunnableThread();

        Thread t1 = new Thread(r1,"窗口一");
        Thread t2 = new Thread(r1,"窗口二");
        Thread t3 = new Thread(r1,"窗口三");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

    }
}

在这里插入图片描述
但是结果和我们想象中的不一样，三个窗口卖出了同样的票

这是因为，CPU的操作具有原子性，单独执行一条指令或者说语句，在执行完毕前不会被中断。
三个线程被启动后，都会处于就绪状态，然后开始抢夺CPU执行语句。

语句一：Thread.sleep(100);
语句二： System.out.println(Thread.currentThread().getName()+“正在出售第 “+ticket+” 张票”);
语句三： ticket–;

我将程序中需要执行的三条主要语句列了出来
三条线程中，加入线程一先抢到了CPU，这时就会开始执行语句，也就是至少会完成一条语句一，然后进入休眠。

注：如果语句一不是休眠语句，而是别的语句，那么线程一就可以继续往下执行，因为原子性，正在执行的语句不会被打断，所以只会在一条语句结束，下一条语句未开始时，被抢走CPU或者中断，导致线程退出运行状态，转为就绪或者阻塞状态。所以线程一可以一次性完成多条语句，也有可能刚完成一条语句就被抢走了CPU。

接着，线程二，线程三也抢到了CPU，也开始执行语句一，然后也进入休眠状态。之后线程一二三从休眠中醒来，开始争抢CPU完成语句二，但是三者都在完成语句三之前被抢走了CPU，导致一直没有执行ticket–语句，ticket也就没有减少，因此三条线程一共打印三条输出语句，里面的ticket都是相同。

然后三条线程又开始争抢CPU来完成语句三，一个线程让ticket减一，三个线程减少三张票。完成语句三后，又开始新的循环，三个线程开始争抢CPU完成语句一。

因此，看到的结果会是，三条语句的ticket都相同，然后ticket突然减三，接着又输出三条ticket相同的输出语句。

那么，该如何解决这种情况呢？
这种延迟卖票的问题被称为线程安全问题，要发生线程安全问题需要满足三个条件（任何一共条件不满足都不会造成线程安全问题）：

是否存在多线程环境
是否存在共享数据/共享变量
是否有多条语句操作着共享数据/共享变量

火车站延迟卖票问题满足这三个条件，因此造成了线程安全问题，而前两条都不可避免，那么就可以着手于破坏掉第三个条件，让线程安全问题不成立。

思路是将多条语句包装成一个同步代码块，当某个线程执行这个同步代码块的时候，就跟原子性一样，其他的线程不能抢占CPU，只能等这个同步代码块执行完毕。

解决办法：

synchronized —— 自动锁
lock —— 手动锁

synchronized

synchronized(对象){  
	//可能会发生线程安全问题的代码
}
//这里的对象可以是任意对象，我们可以用 Object obj =  new Object()里面的obj放入括号中

使用synchronized的条件：

必须有两个或两个以上的线程
同一时间只有一个线程能够执行同步代码块
多个线程想要同步时，必须共用同一把锁
synchronized(对象)括号里面的对象就是一把锁

使用synchronized的过程：

只有抢到锁的线程才可以执行同步代码块，其余的线程即使抢到了CPU执行权，也只能等待，等待锁的释放。
代码执行完毕或者程序抛出异常都会释放锁，然后还未执行同步代码块的线程争抢锁，谁抢到谁就能运行同步代码块。

同步代码块

因此，修改后的代码为：

package test.MyThread.ticketDemo;

public class RunnableThread implements Runnable{
    private int ticket = 100;
    Object obj = new Object();
    @Override
    public void run(){
        while(true){
            synchronized (obj) {
                if (ticket > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第 " + ticket + " 张票");
                    ticket--;
                }
            }
        }
    }
}

package test.MyThread.ticketDemo;

public class ticketDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
    //这里没有改动，只是在上一个代码中加了一把锁
        RunnableThread r1 = new RunnableThread();

        Thread t1 = new Thread(r1,"窗口一");
        Thread t2 = new Thread(r1,"窗口二");
        Thread t3 = new Thread(r1,"窗口三");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

    }
}

在这里插入图片描述
可以看出来结果符合我们的预期，是正确的

现在又有了新的问题，那就是如果我在构造线程的RunnableThread类里面加入方法呢？同步代码块里面出现方法时，我们应该怎么“上锁”呢？

同步方法（this锁）

同步方法，在public的后面加上synchronized关键字

package test.MyThread.ticketDemo;

public class RunnableThread1 implements Runnable{
    private int ticket = 100;
    Object obj = new Object();
    public boolean flag = true;
    @Override
    public void run(){
        if(flag==true){
            while(ticket>0){
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                SellTicket1();
            }
        }
    }

//同步方法，在public的后面加上synchronized关键字
    public synchronized void SellTicket1(){
        if(ticket>0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在出售第 "+ticket+" 张票");
            ticket--;
        }
    }
}

package test.MyThread.ticketDemo;

public class ticketDemo2 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        RunnableThread1 r = new RunnableThread1();

        Thread t1 = new Thread(r,"窗口一");
        Thread t2 = new Thread(r,"窗口二");

        t1.start();
        t2.start();

    }
}

this锁

先来看看，如果有两条路径，一条路径是使用同步代码块，但是对象是obj，另一条路径是使用同步方法

package test.MyThread.ticketDemo;

public class TicketWindow2 implements Runnable{
    //定义100张票
    private static int tickets = 100;
    Object obj = new Object();
    int i =0;
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            if(i%2==0){
                synchronized (obj){
                    if(tickets>0){
                        try {
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在出售第 "+(tickets--)+" 张票");

                    }
                }
            }else {
                sellTicket();
            }

            i++;
        }

    }
    
    public synchronized void sellTicket(){
            if(tickets>0){
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在出售第 "+(tickets--)+" 张票");
            }
    }
}

在这里插入图片描述
结果出错，说明同步方法的用的对象锁不能是任意的对象，不同的线程应该用相同的锁。同步方法是属于对象，而在这个类里面调用方法的是this对象，也就是this.sellTicket()，因此把this提取出来作为对象锁中的对象。这样多个线程都用的是this锁

package test.MyThread.ticketDemo;

public class TicketWindow2 implements Runnable{
    //定义100张票
    private static int tickets = 100;
    Object obj = new Object();
    int i =0;

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            if(i%2==0){
                synchronized (this){
                    if(tickets>0){
                        try {
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在出售第 "+(tickets--)+" 张票");

                    }
                }
            }else {
                sellTicket();
            }

            i++;
        }

    }

    public synchronized void sellTicket(){
            if(tickets>0){
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在出售第 "+(tickets--)+" 张票");
            }
    }
}

修改完成后再运行代码，发现没有错误

注：

一个线程使用同步方法，另一个线程使用同步代码块this锁，可以实现同步
一个线程使用同步方法，另一个线程使用同步代码块，但是不是this锁。这种情况不能实现同步。

静态同步方法

同步方法的锁对象是this，
静态同步方法的锁对象是：这个静态同步方法所属的类的字节码文件

下面代码挺长的，但其实就修改了上面同步方法的代码的两处地方

public synchronized void sellTicket(){}改为
public synchronized static void sellTicket(){}
synchronized (this){}改为synchronized (TicketWindow2.class){}

package test.MyThread.ticketDemo;

public class TicketWindow2 implements Runnable{
    //定义100张票
    private static int tickets = 100;
    Object obj = new Object();
    int i =0;

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            if(i%2==0){
                synchronized (TicketWindow2.class){
                    if(tickets>0){
                        try {
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在出售第 "+(tickets--)+" 张票");

                    }
                }
            }else {
                sellTicket();
            }
            i++;
        }

    }

    public synchronized static void sellTicket(){
        if(tickets>0){
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 正在出售第 "+(tickets--)+" 张票");
        }
    }
}

main()方法里面创建进程和启动进程的代码，和上面同步方法里面的代码相同
结果也和上面的一样，都不再列出来了

死锁问题

package test.MyThread.ticketDemo;
//两个不同的锁对象
public class LockObject {
    public static final Object lock1 = new Object();
    public static final Object lock2 = new Object();
}

package test.MyThread.ticketDemo;

public class DieLockThread extends Thread{
    public boolean flag;

    public DieLockThread(boolean flag){
        this.flag = flag;
    }
    @Override
    public void run() {
        if(flag){
            synchronized(LockObject.lock1){
                System.out.println("lock1");
                synchronized(LockObject.lock2){
                    System.out.println("lock2");
                }
            }
        }else{
            synchronized(LockObject.lock2){
                System.out.println("lock2");
                synchronized(LockObject.lock1){
                    System.out.println("lock1");
                }
            }
        }

    }
}

package test.MyThread.ticketDemo;

public class DieLockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        DieLockThread d1 = new DieLockThread(true);
        DieLockThread d2 = new DieLockThread(false);

        d1.start();
        d2.start();
    }
}

在这里插入图片描述
程序会卡在这一步，不能进行下一步也不能停止
利用有参构造，构造出来的线程d1应该是先获得锁对象LockObject.lock1然后执行打印语句。接着获取锁对象LockObject.lock2，然后打印lock2。
但是这里因为线程d2是先获取的锁对象LockObject.lock2，并占据这个锁对象，然后想获得锁对象LockObject.lock1，但LockObject.lock1此时被线程d1占据着

两个线程都在等待对方释放锁对象，然后进行下一步，但是两者都不释放，导致程序卡死在这里。这就造成了死锁。

lock

package test.MyThread.ticketDemo;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockThread implements Runnable{
    private int ticket = 100;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    @Override
    public void run(){
        while(ticket>0){
            try{
                lock.lock();
                if(ticket>0){
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在出售第 " + (ticket--) + " 张票");
                }
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }

    }
}

package test.MyThread.ticketDemo;

public class LockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        LockThread lt = new LockThread();

        Thread t1 = new Thread(lt,"窗口一");
        Thread t2 = new Thread(lt,"窗口二");
        Thread t3 = new Thread(lt,"窗口三");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}