Java 多線程實(shí)例詳解（三）
本文主要接著前面多線程的兩篇文章總結(jié)Java多線程中的線程安全問題。
一.一個(gè)典型的Java線程安全例子
public class ThreadTest {
public static void main(String[] args) {
Account account = new Account("123456", 1000);
DrawMoneyRunnable drawMoneyRunnable = new DrawMoneyRunnable(account, 700);
Thread myThread1 = new Thread(drawMoneyRunnable);
Thread myThread2 = new Thread(drawMoneyRunnable);
myThread1.start();
myThread2.start();
}
}
class DrawMoneyRunnable implements Runnable {
private Account account;
private double drawAmount;
public DrawMoneyRunnable(Account account, double drawAmount) {
super();
this.account = account;
this.drawAmount = drawAmount;
}
public void run() {
if (account.getBalance() >= drawAmount) { //1
System.out.println("取錢成功， 取出錢數(shù)為：" + drawAmount);
double balance = account.getBalance() - drawAmount;
account.setBalance(balance);
System.out.println("余額為：" + balance);
}
}
}
class Account {
private String accountNo;
private double balance;
public Account() {
}
public Account(String accountNo, double balance) {
this.accountNo = accountNo;
this.balance = balance;
}
public String getAccountNo() {
return accountNo;
}
public void setAccountNo(String accountNo) {
this.accountNo = accountNo;
}
public double getBalance() {
return balance;
}
public void setBalance(double balance) {
this.balance = balance;
}
}
上面例子很容易理解，有一張銀行卡，里面有1000的余額，程序模擬你和你老婆同時(shí)在取款機(jī)進(jìn)行取錢操作的場(chǎng)景。多次運(yùn)行此程序，可能具有多個(gè)不同組合的輸出結(jié)果。其中一種可能的輸出為：
1 取錢成功， 取出錢數(shù)為：700.0
2 余額為：300.0
3 取錢成功， 取出錢數(shù)為：700.0
4 余額為：-400.0
也就是說，對(duì)于一張只有1000余額的銀行卡，你們一共可以取出1400，這顯然是有問題的。
經(jīng)過分析，問題在于Java多線程環(huán)境下的執(zhí)行的不確定性。CPU可能隨機(jī)的在多個(gè)處于就緒狀態(tài)中的線程中進(jìn)行切換，因此，很有可能出現(xiàn)如下情況：當(dāng)thread1執(zhí)行到//1處代碼時(shí)，判斷條件為true，此時(shí)CPU切換到thread2，執(zhí)行//1處代碼，發(fā)現(xiàn)依然為真，然后執(zhí)行完thread2，接著切換到thread1，接著執(zhí)行完畢。此時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)上述結(jié)果。
因此，講到線程安全問題，其實(shí)是指多線程環(huán)境下對(duì)共享資源的訪問可能會(huì)引起此共享資源的不一致性。因此，為避免線程安全問題，應(yīng)該避免多線程環(huán)境下對(duì)此共享資源的并發(fā)訪問。
二.同步方法
對(duì)共享資源進(jìn)行訪問的方法定義中加上synchronized關(guān)鍵字修飾，使得此方法稱為同步方法?？梢院?jiǎn)單理解成對(duì)此方法進(jìn)行了加鎖，其鎖對(duì)象為當(dāng)前方法所在的對(duì)象自身。多線程環(huán)境下，當(dāng)執(zhí)行此方法時(shí)，首先都要獲得此同步鎖（且同時(shí)最多只有一個(gè)線程能夠獲得），只有當(dāng)線程執(zhí)行完此同步方法后，才會(huì)釋放鎖對(duì)象，其他的線程才有可能獲取此同步鎖，以此類推...
在上例中，共享資源為account對(duì)象，當(dāng)使用同步方法時(shí)，可以解決線程安全問題。只需在run()方法前加上synshronized關(guān)鍵字即可。
public synchronized void run() {
// ....
}
三.同步代碼塊
正如上面所分析的那樣，解決線程安全問題其實(shí)只需限制對(duì)共享資源訪問的不確定性即可。使用同步方法時(shí)，使得整個(gè)方法體都成為了同步執(zhí)行狀態(tài)，會(huì)使得可能出現(xiàn)同步范圍過大的情況，于是，針對(duì)需要同步的代碼可以直接另一種同步方式——同步代碼塊來解決。
同步代碼塊的格式為：
synchronized (obj) {
//...
}
其中，obj為鎖對(duì)象，因此，選擇哪一個(gè)對(duì)象作為鎖是至關(guān)重要的。一般情況下，都是選擇此共享資源對(duì)象作為鎖對(duì)象。
如上例中，最好選用account對(duì)象作為鎖對(duì)象。（當(dāng)然，選用this也是可以的，那是因?yàn)閯?chuàng)建線程使用了runnable方式，如果是直接繼承Thread方式創(chuàng)建的線程，使用this對(duì)象作為同步鎖會(huì)其實(shí)沒有起到任何作用，因?yàn)槭遣煌膶?duì)象了。因此，選擇同步鎖時(shí)需要格外小心...）
四.Lock對(duì)象同步鎖
上面我們可以看出，正因?yàn)閷?duì)同步鎖對(duì)象的選擇需要如此小心，有沒有什么簡(jiǎn)單點(diǎn)的解決方案呢？以方便同步鎖對(duì)象與共享資源解耦，同時(shí)又能很好的解決線程安全問題。
使用Lock對(duì)象同步鎖可以方便的解決此問題，唯一需要注意的一點(diǎn)是Lock對(duì)象需要與資源對(duì)象同樣具有一對(duì)一的關(guān)系。Lock對(duì)象同步鎖一般格式為：
class X {
// 顯示定義Lock同步鎖對(duì)象，此對(duì)象與共享資源具有一對(duì)一關(guān)系
private final Lock lock = new ReentrantLock();
public void m(){
// 加鎖
lock.lock();
//... 需要進(jìn)行線程安全同步的代碼
// 釋放Lock鎖
lock.unlock();
}
}
五.wait()/notify()/notifyAll()線程通信
在博文《Java總結(jié)篇系列：java.lang.Object》中有提及到這三個(gè)方法，雖然這三個(gè)方法主要都是用于多線程中，但實(shí)際上都是Object類中的本地方法。因此，理論上，任何Object對(duì)象都可以作為這三個(gè)方法的主調(diào)，在實(shí)際的多線程編程中，只有同步鎖對(duì)象調(diào)這三個(gè)方法，才能完成對(duì)多線程間的線程通信。
wait()：導(dǎo)致當(dāng)前線程等待并使其進(jìn)入到等待阻塞狀態(tài)。直到其他線程調(diào)用該同步鎖對(duì)象的notify()或notifyAll()方法來喚醒此線程。
notify()：?jiǎn)拘言诖送芥i對(duì)象上等待的單個(gè)線程，如果有多個(gè)線程都在此同步鎖對(duì)象上等待，則會(huì)任意選擇其中某個(gè)線程進(jìn)行喚醒操作，只有當(dāng)前線程放棄對(duì)同步鎖對(duì)象的鎖定，才可能執(zhí)行被喚醒的線程。
notifyAll()：?jiǎn)拘言诖送芥i對(duì)象上等待的所有線程，只有當(dāng)前線程放棄對(duì)同步鎖對(duì)象的鎖定，才可能執(zhí)行被喚醒的線程。
package com.qqyumidi;
public class ThreadTest {
public static void main(String[] args) {
Account account = new Account("123456", 0);
Thread drawMoneyThread = new DrawMoneyThread("取錢線程", account, 700);
Thread depositeMoneyThread = new DepositeMoneyThread("存錢線程", account, 700);
drawMoneyThread.start();
depositeMoneyThread.start();
}
}
class DrawMoneyThread extends Thread {
private Account account;
private double amount;
public DrawMoneyThread(String threadName, Account account, double amount) {
super(threadName);
this.account = account;
this.amount = amount;
}
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
account.draw(amount, i);
}
}
}
class DepositeMoneyThread extends Thread {
private Account account;
private double amount;
public DepositeMoneyThread(String threadName, Account account, double amount) {
super(threadName);
this.account = account;
this.amount = amount;
}
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
account.deposite(amount, i);
}
}
}
class Account {
private String accountNo;
private double balance;
// 標(biāo)識(shí)賬戶中是否已有存款
private boolean flag = false;
public Account() {
}
public Account(String accountNo, double balance) {
this.accountNo = accountNo;
this.balance = balance;
}
public String getAccountNo() {
return accountNo;
}
public void setAccountNo(String accountNo) {
this.accountNo = accountNo;
}
public double getBalance() {
return balance;
}
public void setBalance(double balance) {
this.balance = balance;
}
/**
* 存錢
*
* @param depositeAmount
*/
public synchronized void deposite(double depositeAmount, int i) {
if (flag) {
// 賬戶中已有人存錢進(jìn)去，此時(shí)當(dāng)前線程需要等待阻塞
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開始要執(zhí)行wait操作" + " -- i=" + i);
wait();
// 1
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執(zhí)行了wait操作" + " -- i=" + i);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
} else {
// 開始存錢
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 存款:" + depositeAmount + " -- i=" + i);
setBalance(balance + depositeAmount);
flag = true;
// 喚醒其他線程
notifyAll();
// 2
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-- 存錢 -- 執(zhí)行完畢" + " -- i=" + i);
}
}
/**
* 取錢
*
* @param drawAmount
*/
public synchronized void draw(double drawAmount, int i) {
if (!flag) {
// 賬戶中還沒人存錢進(jìn)去，此時(shí)當(dāng)前線程需要等待阻塞
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開始要執(zhí)行wait操作" + " 執(zhí)行了wait操作" + " -- i=" + i);
wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執(zhí)行了wait操作" + " 執(zhí)行了wait操作" + " -- i=" + i);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
} else {
// 開始取錢
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 取錢：" + drawAmount + " -- i=" + i);
setBalance(getBalance() - drawAmount);
flag = false;
// 喚醒其他線程
notifyAll();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-- 取錢 -- 執(zhí)行完畢" + " -- i=" + i); // 3
}
}
}
上面的例子演示了wait()/notify()/notifyAll()的用法。部分輸出結(jié)果為：
取錢線程 開始要執(zhí)行wait操作 執(zhí)行了wait操作 -- i=0
存錢線程 存款:700.0 -- i=0
存錢線程-- 存錢 -- 執(zhí)行完畢 -- i=0
存錢線程 開始要執(zhí)行wait操作 -- i=1
取錢線程 執(zhí)行了wait操作 執(zhí)行了wait操作 -- i=0
取錢線程 取錢：700.0 -- i=1
取錢線程-- 取錢 -- 執(zhí)行完畢 -- i=1
取錢線程 開始要執(zhí)行wait操作 執(zhí)行了wait操作 -- i=2
存錢線程 執(zhí)行了wait操作 -- i=1
存錢線程 存款:700.0 -- i=2
存錢線程-- 存錢 -- 執(zhí)行完畢 -- i=2
取錢線程 執(zhí)行了wait操作 執(zhí)行了wait操作 -- i=2
取錢線程 取錢：700.0 -- i=3
取錢線程-- 取錢 -- 執(zhí)行完畢 -- i=3
取錢線程 開始要執(zhí)行wait操作 執(zhí)行了wait操作 -- i=4
存錢線程 存款:700.0 -- i=3
存錢線程-- 存錢 -- 執(zhí)行完畢 -- i=3
存錢線程 開始要執(zhí)行wait操作 -- i=4
取錢線程 執(zhí)行了wait操作 執(zhí)行了wait操作 -- i=4
取錢線程 取錢：700.0 -- i=5
取錢線程-- 取錢 -- 執(zhí)行完畢 -- i=5
取錢線程 開始要執(zhí)行wait操作 執(zhí)行了wait操作 -- i=6
存錢線程 執(zhí)行了wait操作 -- i=4
存錢線程 存款:700.0 -- i=5
存錢線程-- 存錢 -- 執(zhí)行完畢 -- i=5
存錢線程 開始要執(zhí)行wait操作 -- i=6
取錢線程 執(zhí)行了wait操作 執(zhí)行了wait操作 -- i=6
取錢線程 取錢：700.0 -- i=7
取錢線程-- 取錢 -- 執(zhí)行完畢 -- i=7
取錢線程 開始要執(zhí)行wait操作 執(zhí)行了wait操作 -- i=8
存錢線程 執(zhí)行了wait操作 -- i=6
存錢線程 存款:700.0 -- i=7
由此，我們需要注意如下幾點(diǎn)：
1.wait()方法執(zhí)行后，當(dāng)前線程立即進(jìn)入到等待阻塞狀態(tài)，其后面的代碼不會(huì)執(zhí)行；
2.notify()/notifyAll()方法執(zhí)行后，將喚醒此同步鎖對(duì)象上的（任意一個(gè)-notify()/所有-notifyAll()）線程對(duì)象，但是，此時(shí)還并沒有釋放同步鎖對(duì)象，也就是說，如果notify()/notifyAll()后面還有代碼，還會(huì)繼續(xù)進(jìn)行，知道當(dāng)前線程執(zhí)行完畢才會(huì)釋放同步鎖對(duì)象；
3.notify()/notifyAll()執(zhí)行后，如果右面有sleep()方法，則會(huì)使當(dāng)前線程進(jìn)入到阻塞狀態(tài)，但是同步對(duì)象鎖沒有釋放，依然自己保留，那么一定時(shí)候后還是會(huì)繼續(xù)執(zhí)行此線程，接下來同2；
4.wait()/notify()/nitifyAll()完成線程間的通信或協(xié)作都是基于不同對(duì)象鎖的，因此，如果是不同的同步對(duì)象鎖將失去意義，同時(shí)，同步對(duì)象鎖最好是與共享資源對(duì)象保持一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；
5.當(dāng)wait線程喚醒后并執(zhí)行時(shí)，是接著上次執(zhí)行到的wait()方法代碼后面繼續(xù)往下執(zhí)行的。
當(dāng)然，上面的例子相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，只是為了簡(jiǎn)單示例wait()/notify()/noitifyAll()方法的用法，但其本質(zhì)上說，已經(jīng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式了。
系列文章：
java 多線程實(shí)例講解 （一）
Java 多線程實(shí)例詳解（二）
Java 多線程實(shí)例詳解（三）
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