啃碎并发（六）：Java 线程同步与实现

前言

为何要使用Java线程同步？Java允许多线程并发控制，当多个线程同时操作一个可共享的资源变量时，将会导致数据不准确，相互之间产生冲突，因此加入同步锁以避免在该线程没有完成操作之前，被其他线程的调用，从而保证了该变量的唯一性和准确性。

但其并发编程的根本，就是使线程间进行正确的通信。其中两个比较重要的关键点，如下：

Java中提供了很多线程同步操作，比如：synchronized关键字、wait/notifyAll、ReentrantLock、Condition、一些并发包下的工具类、

1 ReentrantLock可重入锁

自JDK5开始，新增了Lock接口以及它的一个实现类ReentrantLock。ReentrantLock可重入锁是J.U.C包内置的一个锁对象，可以用来实现同步，基本使用方法如下：

上面例子表示同一时间段只能有1个线程执行execute方法，输出如下：

可重入锁中可重入表示的意义在于对于同一个线程，可以继续调用加锁的方法，而不会被挂起。可重入锁内部维护一个计数器，对于同一个线程调用lock方法，计数器+1，调用unlock方法，计数器-1。

举个例子再次说明一下可重入的意思：在一个加锁方法execute中调用另外一个加锁方法anotherLock并不会被挂起，可以直接调用(调用execute方法时计数器+1，然后内部又调用了anotherLock方法，计数器+1，变成了2)：

输出：

2 synchronized

synchronized跟ReentrantLock一样，也支持可重入锁。但是它是一个关键字，是一种语法级别的同步方式，称为内置锁：

输出结果跟ReentrantLock一样，这个例子说明内置锁可以作用在方法上。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。

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。

synchronized跟ReentrantLock相比，有几点局限性：

所以，Lock的操作与synchronized相比，灵活性更高，而且Lock提供多种方式获取锁，有Lock、ReadWriteLock接口，以及实现这两个接口的ReentrantLock类、ReentrantReadWriteLock类。

关于Lock对象和synchronized关键字选择的考量：

在性能考量上来说，如果竞争资源不激烈，两者的性能是差不多的，而当竞争资源非常激烈时（即有大量线程同时竞争），此时Lock的性能要远远优于synchronized。所以说，在具体使用时要根据适当情况选择。

3 Condition条件对象

Condition条件对象的意义在于对于一个已经获取Lock锁的线程，如果还需要等待其他条件才能继续执行的情况下，才会使用Condition条件对象。

Condition可以替代传统的线程间通信，用await()替换wait()，用signal()替换notify()，用signalAll()替换notifyAll()。

这个例子中thread1执行到condition.await()时，当前线程会被挂起，直到thread2调用了condition.signalAll()方法之后，thread1才会重新被激活执行。

传统线程的通信方式，Condition都可以实现。Condition的强大之处在于它可以为多个线程间建立不同的Condition。

4 wait&notify/notifyAll方式

Java线程的状态转换图与相关方法，如下：

线程状态转换图

在图中，红框标识的部分方法，可以认为已过时，不再使用。上图中的方法能够参与到线程同步中的方法，如下：

1.wait、notify、notifyAll方法：线程中通信可以使用的方法。线程中调用了wait方法，则进入阻塞状态，只有等另一个线程调用与wait同一个对象的notify方法。这里有个特殊的地方，调用wait或者notify，前提是需要获取锁，也就是说，需要在同步块中做以上操作。

这里需要注意的是调用wait/notifyAll方法的时候一定要获得当前线程的锁，否则会发生IllegalMonitorStateException异常。

2.join方法：该方法主要作用是在该线程中的run方法结束后，才往下执行。

3.yield方法：线程本身的调度方法，使用时线程可以在run方法执行完毕时，调用该方法，告知线程已可以出让CPU资源。

4.sleep方法：通过sleep(millis)使线程进入休眠一段时间，该方法在指定的时间内无法被唤醒，同时也不会释放对象锁；

sleep方法告诉操作系统至少在指定时间内不需为线程调度器为该线程分配执行时间片，并不释放锁（如果当前已经持有锁）。实际上，调用sleep方法时并不要求持有任何锁。

所以，sleep方法并不需要持有任何形式的锁，也就不需要包裹在synchronized中。

5 ThreadLocal

ThreadLocal是一种把变量放到线程本地的方式来实现线程同步的。比如：SimpleDateFormat不是一个线程安全的类，可以使用ThreadLocal实现同步，如下：

ThreadLocal与同步机制的对比选择：

6 volatile修饰变量

volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制，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，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，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。

多线程中的非同步问题主要出现在对域的读写上，如果让域自身避免这个问题，则就不需要修改操作该域的方法。用final域，有锁保护的域和volatile域可以避免非同步的问题。

7 Semaphore信号量

Semaphore信号量被用于控制特定资源在同一个时间被访问的个数。类似连接池的概念，保证资源可以被合理的使用。可以使用构造器初始化资源个数：

输出：

8 并发包下的工具类

8.1 CountDownLatch

CountDownLatch是一个计数器，它的构造方法中需要设置一个数值，用来设定计数的次数。每次调用countDown()方法之后，这个计数器都会减去1，CountDownLatch会一直阻塞着调用await()方法的线程，直到计数器的值变为0。

输出：

8.2 CyclicBarrier

CyclicBarrier阻塞调用的线程，直到条件满足时，阻塞的线程同时被打开。

相比CountDownLatch，CyclicBarrier是可以被循环使用的，而且遇到线程中断等情况时，还可以利用reset()方法，重置计数器，从这些方面来说，CyclicBarrier会比CountDownLatch更加灵活一些。

9 使用原子变量实现线程同步

有时需要使用线程同步的根本原因在于对普通变量的操作不是原子的。那么什么是原子操作呢？

在java.util.concurrent.atomic包中提供了创建原子类型变量的工具类，使用该类可以简化线程同步。比如：其中AtomicInteger以原子方式更新int的值：

10 AbstractQueuedSynchronizer

AQS是很多同步工具类的基础，比如：ReentrantLock里的公平锁和非公平锁，Semaphore里的公平锁和非公平锁，CountDownLatch里的锁等他们的底层都是使用AbstractQueuedSynchronizer完成的。

基于AbstractQueuedSynchronizer自定义实现一个独占锁：

11 使用阻塞队列实现线程同步

前面几种同步方式都是基于底层实现的线程同步，但是在实际开发当中，应当尽量远离底层结构。本节主要是使用LinkedBlockingQueue<E>来实现线程的同步。

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