Java 线程安全与锁

作者: Java编程日记 | 来源:发表于2022-04-26 22:25 被阅读0次

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Java 线程安全与锁

多线程内存模型

线程私有栈内存
- 每个线程私有的内存区域
进程公有堆内存
- 同一个进程共有的内存区域

为什么会有线程安全问题？

多个线程同时具有对同一资源的操作权限，又发生了同时对该资源进行读取、写入的情况，那么就会出现重复操作的情况

如何解决线程安全问题呢？加锁

什么是锁？

锁就是对于操作资源的一种权限

锁可以做什么？

对于一个资源加锁后，每次只能有一个线程对该资源进行操作，当该线程操作结束后，才会解锁。

解锁之后，所有的线程获得竞争此资源的机会。

什么情况下需要加锁?

读读不需要加锁
写写需要加锁
读写需要加锁

加锁的两种方式（synchronized关键字与Lock对象）

第一种：synchronized关键字

方法前加synchronized关键字
- 功能：线程进入用synchronized声明的方法时就上锁，方法执行完自动解锁，锁的是当前类的对象
- 调用synchronized声明的方法一定是排队运行的
- 当A线程调用object对象的synchronized声明的X方法时
  - B线程可以调用其他非synchronized声明的方法
  - B线程不能调用其他synchronized声明的非X方法
synchronized锁重入
- 锁重入的概念：自己可以重复获得自己的内部锁。即synchronized声明的方法，可以调用本对象的其他synchronized方法。
- 锁重入支持继承的环境，即子类的synchronized方法也可以调用父类的synchronized方法。
synchronized同步代码块
- synchronized关键字与synchronized代码块的区别
  - synchronized声明的方法是将当前对象作为锁
  - synchronized代码块是将任意对象作为锁
- 当两个线程访问同一个对象的synchronized代码块时，只有一个线程可以得到执行，另一个线程只能等待当前线程执行完才能执行。
  - 一半同步，一半异步
    - 不在synchronized代码块中就是异步执行，在synchronized代码块中就是同步执行

下面对“一半同步，一半异步”进行代码验证

创建项目ltl0002 ,文件Task的代码如下：

<pre class="prettyprint hljs gradle" style="padding: 0.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">package ltl0002;

public class Task {

public void doTask(){
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        System.out.println("no synchronized ThreadName = " + Thread.currentThread().getName() + " i = " + (i+1));
    }
    synchronized (this){
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("synchronized ThreadName = " + Thread.currentThread().getName() + " i = " + (i+1));
        }
    }

}

}</pre>

两个线程类代码

<pre class="prettyprint hljs gradle" style="padding: 0.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">package ltl0002;

public class MyThread1 implements Runnable{

private Task task = new Task();

public MyThread1(Task task){
    this.task = task;
}

@Override
public void run() {

    task.doTask();
}

}</pre>

<pre class="prettyprint hljs gradle" style="padding: 0.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">package ltl0002;

public class MyThread2 implements Runnable{

private Task task = new Task();

public MyThread2(Task task){
    this.task = task;
}

@Override
public void run() {

    task.doTask();
}

}</pre>

文件Run.java代码如下：

<pre class="prettyprint hljs gradle" style="padding: 0.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">package ltl0002;

public class Run {
public static void main(String[] args) {
Task task = new Task();
MyThread1 myThread1 = new MyThread1(task);
MyThread2 myThread2 = new MyThread2(task);
Thread tr1 = new Thread(myThread1);
Thread tr2 = new Thread(myThread2);
tr1.start();
tr2.start();
}

}</pre>

程序运行结果如图所示

[图片上传失败...(image-d1cb95-1650803898663)]

进入synchronized代码块之后，排队运行，运行结果如图所示

[图片上传失败...(image-f1ab98-1650803898663)]

在第一张图我们可以看到，线程0 和 1交叉输出，说明是异步进行，而在第二张图可以看出线程0运行完之后，线程1才运行，说明它们是同步运行，验证完毕。

现有三个线程，线程一对num进行修改，线程二三对num进行读取，如何可以实现，线程一与线程二三同步执行，而线程二三异步执行呢？

现在创建项目ltl0003进行测试，Number文件代码如下

<pre class="prettyprint hljs java" style="padding: 0.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">package ltl0003;
/**

@author liTianLu
@Date 2022/4/23 15:53
@purpose 成员变量有int num,以及get set方法
*/
public class Number {
private int num;
private boolean change = false;

public int getNum() {
return num;
}

public void setNum(int num) {
this.num = num;
}
public boolean isChangeing(){
return change;
}

public void setChange(boolean change) {
this.change = change;
}
}</pre>

两个线程类的代码如下：

<pre class="prettyprint hljs java" style="padding: 0.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">package ltl0003;
/**

@author liTianLu
@Date 2022/4/23 15:36
@purpose 更改num的值
*/
public class MyThread01 implements Runnable{
static int num = 0;
Number number;
public MyThread01(Number num ){
this.number = num ;
}
@Override
public void run() {
synchronized (this){
number.setChange(true);
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
number.setNum(num++);
}
number.setChange(false);
}
}
}</pre>

<pre class="prettyprint hljs java" style="padding: 0.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">package ltl0003;

import static java.lang.Thread.sleep;
/**

@author liTianLu
@Date 2022/4/23 15:35
@purpose 读取num的值
*/
public class MyThread02 implements Runnable{
Number number;

public MyThread02(Number num ){
this.number = num ;
}

@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 1000 ; i++) {
//如果number正在更改,就休眠1ms
while(number.isChangeing()){
try {
sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"的输出为： num = " + number.getNum());
}
}

}</pre>

主函数文件Run代码如下：

<pre class="prettyprint hljs typescript" style="padding: 0.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">package ltl0003;
/**

@author liTianLu
@Date 2022/4/23 15:15
@purpose 解决锁问题线程一对num进行修改，线程二三对num进行读取，此代码要实现：线程一与线程二三同步执行，而线程二三异步执行。
*/
public class Run {
public static void main(String[] args) {
Number number = new Number();
number.setNum(0);
MyThread01 myThread01 = new MyThread01(number);
MyThread02 myThread02 = new MyThread02(number);
Thread tr1 = new Thread(myThread01);
Thread tr2 = new Thread(myThread02);
Thread tr3 = new Thread(myThread02);
tr1.start();
tr2.start();
tr3.start();
}
}</pre>

实验结果如图所示

[图片上传失败...(image-f0d7dd-1650803898659)]

我们发现，线程2/3执行的时候，线程1已经执行完毕，且线程2、3异步进行。

第二种：Lock对象的使用

ReentrantLock类可以达到与synchronized同样的效果。
用法：

<pre class="prettyprint hljs cs" style="padding: 0.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: start; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-thickness: initial; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">ReentrantLock lock = new ReentrantLock ();
lock.lock();//加锁
lock.unlock();//解锁

//使用try catch finally 可以确保finally 中的代码执行，在finally中解锁
try{
while(true){
lock.lock ();
//操作代码
}
}catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}finally {
lock.unlock ();
}</pre>

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