Java实现多线程同步五种方法详解

• Z时代
• 2024-01-10
• 分类：综合

一、为什么要线程同步

因为当我们有多个线程要同时访问一个变量或对象时，如果这些线程中既有读又有写操作时，就会导致变量值或对象的状态出现混乱，从而导致程序异常。举个例子，如果一个银行账户同时被两个线程操作，一个取100块，一个存钱100块。假设账户原本有0块，如果取钱线程和存钱线程同时发生，会出现什么结果呢？取钱不成功，账户余额是100.取钱成功了，账户余额是0.那到底是哪个呢？很难说清楚。因此多线程同步就是要解决这个问题。

二、不同步时的代码

Bank.java

package threadTest; 
/** 
 * @author lixiaoxi 
 * 
 */ 
public class Bank { 
  private int count =0;//账户余额 
  //存钱 
  public void addMoney(int money){ 
    count +=money; 
    System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money); 
  } 
  //取钱 
  public void subMoney(int money){ 
    if(count-money < 0){ 
      System.out.println("余额不足"); 
      return; 
    } 
    count -=money; 
    System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money); 
  } 
  //查询 
  public void lookMoney(){ 
    System.out.println("账户余额："+count); 
  } 
}

SyncThreadTest.java

package threadTest; 
public class SyncThreadTest { 
  public static void main(String args[]){ 
    final Bank bank=new Bank(); 
    Thread tadd=new Thread(new Runnable() { 
      @Override 
      public void run() { 
        // TODO Auto-generated method stub 
        while(true){ 
          try { 
            Thread.sleep(1000); 
          } catch (InterruptedException e) { 
            // TODO Auto-generated catch block 
            e.printStackTrace(); 
          } 
          bank.addMoney(100); 
          bank.lookMoney(); 
          System.out.println("\n"); 
        } 
      } 
    }); 
    Thread tsub = new Thread(new Runnable() { 
      @Override 
      public void run() { 
        // TODO Auto-generated method stub 
        while(true){ 
          bank.subMoney(100); 
          bank.lookMoney(); 
          System.out.println("\n"); 
          try { 
            Thread.sleep(1000); 
          } catch (InterruptedException e) { 
            // TODO Auto-generated catch block 
            e.printStackTrace(); 
          }   
        } 
      } 
    }); 
    tsub.start(); 
    tadd.start(); 
  } 
}

代码很简单，我就不解释了，看看运行结果怎样呢？截取了其中的一部分，是不是很乱，有些看不懂。

余额不足 
账户余额：0 
余额不足 
账户余额：100 
1441790503354存进：100 
账户余额：100 
1441790504354存进：100 
账户余额：100 
1441790504354取出：100 
账户余额：100 
1441790505355存进：100 
账户余额：100 
1441790505355取出：100 
账户余额：100

三、使用同步时的代码

1、同步方法

即有synchronized关键字修饰的方法。 由于java的每个对象都有一个内置锁，当用此关键字修饰方法时，内置锁会保护整个方法。在调用该方法前，需要获得内置锁，否则就处于阻塞状态。

修改后的Bank.java

/** 
 * @author lixiaoxi
 * 
 */ 
public class Bank { 
  private int count =0;//账户余额 
  //存钱 
  public synchronized void addMoney(int money){ 
    count +=money; 
    System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money); 
  } 
  //取钱 
  public synchronized void subMoney(int money){ 
    if(count-money < 0){ 
      System.out.println("余额不足"); 
      return; 
    } 
    count -=money; 
    System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money); 
  } 
  //查询 
  public void lookMoney(){ 
    System.out.println("账户余额："+count); 
  } 
}

再看看运行结果：

余额不足 
账户余额：0 
余额不足 
账户余额：0 
1441790837380存进：100 
账户余额：100 
1441790838380取出：100 
账户余额：0 
1441790838380存进：100 
账户余额：100 
1441790839381取出：100 
账户余额：0

瞬间感觉可以理解了吧。

注： synchronized关键字也可以修饰静态方法，此时如果调用该静态方法，将会锁住整个类。

2、同步代码块

即有synchronized关键字修饰的语句块。被该关键字修饰的语句块会自动被加上内置锁，从而实现同步。

Bank.java代码如下：

package threadTest; 
package threadTest; 
/** 
 * @author lixiaoxi 
 * 
 */ 
public class Bank { 
  private int count =0;//账户余额 
  //存钱 
  public void addMoney(int money){ 
    synchronized (this) { 
      count +=money; 
    } 
    System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money); 
  } 
  //取钱 
  public void subMoney(int money){ 
    synchronized (this) { 
      if(count-money < 0){ 
        System.out.println("余额不足"); 
        return; 
      } 
      count -=money; 
    } 
    System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money); 
  } 
  //查询 
  public void lookMoney(){ 
    System.out.println("账户余额："+count); 
  } 
}

运行结果如下：

余额不足 
账户余额：0 
1441791806699存进：100 
账户余额：100 
1441791806700取出：100 
账户余额：0 
1441791807699存进：100 
账户余额：100

效果和方法一差不多。

注：同步是一种高开销的操作，因此应该尽量减少同步的内容。通常没有必要同步整个方法，使用synchronized代码块同步关键代码即可。

3、使用特殊域变量(volatile)实现线程同步

（1）volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制；

（2）使用volatile修饰域相当于告诉虚拟机该域可能会被其他线程更新；

（3）因此每次使用该域就要重新计算，而不是使用寄存器中的值；

（4）volatile不会提供任何原子操作，它也不能用来修饰final类型的变量。

Bank.java代码如下：

package threadTest; 
/** 
 * @author lixiaoxi 
 * 
 */ 
public class Bank { 
  private volatile int count = 0;// 账户余额 
  // 存钱 
  public void addMoney(int money) { 
    count += money; 
    System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进：" + money); 
  } 
  // 取钱 
  public void subMoney(int money) { 
    if (count - money < 0) { 
      System.out.println("余额不足"); 
      return; 
    } 
    count -= money; 
    System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money); 
  } 
  // 查询 
  public void lookMoney() { 
    System.out.println("账户余额：" + count); 
  } 
}

运行效果怎样呢？

余额不足 
账户余额：0 
余额不足 
账户余额：100 
1441792010959存进：100 
账户余额：100 
1441792011960取出：100 
账户余额：0 
1441792011961存进：100 
账户余额：100

是不是又看不懂了，又乱了。这是为什么呢？就是因为volatile不能保证原子操作导致的，因此volatile不能代替synchronized。此外volatile会组织编译器对代码优化，因此能不使用它就不使用它吧。它的原理是每次要线程要访问volatile修饰的变量时都是从内存中读取，而不是从缓存当中读取，因此每个线程访问到的变量值都是一样的。这样就保证了同步。

4、使用重入锁实现线程同步

在JavaSE5.0中新增了一个java.util.concurrent包来支持同步。ReentrantLock类是可重入、互斥、实现了Lock接口的锁， 它与使用synchronized方法和块具有相同的基本行为和语义，并且扩展了其能力。

ReenreantLock类的常用方法有：

• ReentrantLock() ：创建一个ReentrantLock实例
• lock() ：获得锁
• unlock() ：释放锁

注：ReentrantLock()还有一个可以创建公平锁的构造方法，但由于能大幅度降低程序运行效率，不推荐使用。

Bank.java代码修改如下：

package threadTest; 
import java.util.concurrent.locks.Lock; 
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; 
/** 
 * @author lixiaoxi 
 * 
 */ 
public class Bank { 
  private int count = 0;// 账户余额 
  //需要声明这个锁 
  private Lock lock = new ReentrantLock(); 
  // 存钱 
  public void addMoney(int money) { 
    lock.lock();//上锁 
    try{ 
    count += money; 
    System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进：" + money); 
    }finally{ 
      lock.unlock();//解锁 
    } 
  } 
  // 取钱 
  public void subMoney(int money) { 
    lock.lock(); 
    try{ 
    if (count - money < 0) { 
      System.out.println("余额不足"); 
      return; 
    } 
    count -= money; 
    System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money); 
    }finally{ 
      lock.unlock(); 
    } 
  } 
  // 查询 
  public void lookMoney() { 
    System.out.println("账户余额：" + count); 
  } 
}

运行效果怎样呢？

余额不足 
账户余额：0 
余额不足 
账户余额：0 
1441792891934存进：100 
账户余额：100 
1441792892935存进：100 
账户余额：200 
1441792892954取出：100 
账户余额：100

效果和前两种方法差不多。

如果synchronized关键字能满足用户的需求，就用synchronized，因为它能简化代码 。如果需要更高级的功能，就用ReentrantLock类，此时要注意及时释放锁，否则会出现死锁，通常在finally代码释放锁。

5、使用局部变量实现线程同步

Bank.java代码如下：

package com.demo.test;
/** 
 * @author lixiaoxi
 * 
 */ 
public class Bank {
  private static ThreadLocal<Integer> count = new ThreadLocal<Integer>(){ 
    @Override 
    protected Integer initialValue() { 
      // TODO Auto-generated method stub 
      return 0; 
    } 
  }; 
  // 存钱 
  public void addMoney(int money) { 
    count.set(count.get()+money); 
    System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进：" + money); 
  } 
  // 取钱 
  public void subMoney(int money) { 
    if (count.get() - money < 0) { 
      System.out.println("余额不足"); 
      return; 
    } 
    count.set(count.get()- money); 
    System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money); 
  } 
  // 查询 
  public void lookMoney() { 
    System.out.println("账户余额：" + count.get()); 
  }   
}

运行效果：

余额不足
账户余额：0
1511166594460存进：100
账户余额：200
余额不足
账户余额：0
1511166595460存进：100
账户余额：300
余额不足
账户余额：0
1511166596460存进：100
账户余额：400

看了运行效果，一开始一头雾水，怎么只让存，不让取啊？看看ThreadLocal的原理：

如果使用ThreadLocal管理变量，则每一个使用该变量的线程都获得该变量的副本，副本之间相互独立，这样每一个线程都可以随意修改自己的变量副本，而不会对其他线程产生影响。现在明白了吧，原来每个线程运行的都是一个副本，也就是说存钱和取钱是两个账户，只是名字相同而已。所以就会发生上面的效果。

ThreadLocal与同步机制

a.ThreadLocal与同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题；

b.前者采用以”空间换时间”的方法，后者采用以”时间换空间”的方式。

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