Java 多线程（二）——线程安全

一、前言

<font face=黑体> 多线程的实现方式我们已经讲完了，今天我们来讲线程安全。

二、线程安全

2.1、线程安全概述

<font face=黑体>如果有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时访问某一共享变量，这样就会产生线程安全问题。

<font face=黑体>我们通过一个卖票案例来演示线程安全问题：

public class RunnableImpl implements Runnable {

    // 定义一个多线程共享的票源
    private int ticket = 100;

    // 卖票
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            if (ticket > 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->正在卖第" + ticket + "张票");
                ticket--;
            }
        }
    }
}

<font face=黑体>测试类：

public class TestSellTicket {

    // 创建三个线程，同时开启，对共享的票进行出售
    public static void main(String[] args) {
        // 创建Runnable接口的实现类
        RunnableImpl runnable = new RunnableImpl();
        // 创建Thread
        Thread t0 = new Thread(runnable);
        Thread t1 = new Thread(runnable);
        Thread t2 = new Thread(runnable);
        t0.start();
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

<font face=黑体>测试结果如下所示：

<font face=黑体>可以看到运行结果中出现了重复的票，这就是线程不安全。线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；若有多个线程同时执行写操作，一般都需要考虑线程同步，否则的话就可能出现线程安全的问题。

2.2、线程同步

<font face=黑体>当我们使用多个线程访问同一资源的时候，且多个线程中对资源有写的操作，就容易出现线程安全问题。

<font face=黑体>要解决上述多线程并发访问一个资源的安全性问题:也就是解决重复票与不存在票问题，Java 中提供了同步机制 (synchronized) 来解决。

<font face=黑体>根据上述卖票案例简述：

窗口 1 线程进入操作的时候，窗口 2 和窗口 3 线程只能在外等着，窗口 1 操作结束，窗口 1 和窗口 2 和窗口 3 才有机会进入代码去执行。也就是说在某个线程修改共享资源的时候，其他线程不能修改该资源，等待修改完毕同步之后，才能去抢夺 CPU 资源，完成对应的操作，保证了数据的同步性，解决了线程不安全的现象。

<font face=黑体>为了保证每个线程都能正常执行原子操作，Java 引入了线程同步机制。主要有以下三种方式：

1. <font face=黑体>同步代码块；
2. <font face=黑体>同步方法；
3. <font face=黑体>锁机制；

2.2.1、同步代码块

<font face=黑体>synchronized 关键字可以用于方法中的某个区块中，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。

<font face=黑体>格式：

synchronized(同步锁){
    需要同步操作的代码
}

<font face=黑体>注意：

1. <font face=黑体>代码块中的锁对象可以是任意对象；
2. <font face=黑体>但是必须保证多个线程使用的锁对象是同一个；
3. <font face=黑体>锁对象的作用就是将同步代码块锁住，只允许一个线程在同步代码块中执行；

<font face=黑体>利用同步代码块实现线程安全的具体代码实现如下所示：

public class RunnableImpl implements Runnable {

    // 定义一个多线程共享的票源
    private int ticket = 100;

    // 创建一个锁对象
    Object object = new Object();

    // 卖票
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            // 创建同步代码块
            synchronized (object) {
                if (ticket > 0) {
                    // 模拟卖票时间
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->正在卖第" + ticket + "张票");
                    ticket--;
                }
            }
        }
    }
}

<font face=黑体>同步技术的原理：

<font face=黑体>同步中的线程，没有执行完毕不会释放锁，同步外的线程没有锁进不去同步，所以就可以保证同步中始终只有一个线程在执行，保证了线程安全。但是程序会频换的判断锁、获取锁和释放锁导致程序的效率降低。

2.2.2、同步方法

<font face=黑体>使用 synchronized 修饰的方法,就叫做同步方法,保证A线程执行该方法的时候,其他线程只能在方法外等着。

<font face=黑体>格式：

public synchronized void method(){
    可能会产生线程安全问题的代码
}

<font face=黑体>利用同步方法实现线程安全的具体代码实现如下所示：

public class RunnableImpl implements Runnable {

    // 定义一个多线程共享的票源
    private int ticket = 100;

    // 卖票
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            sellTicket();
        }
    }

    /**
     * 定义一个同步方法
     */
    public synchronized void sellTicket() {
        if (ticket > 0) {

            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->正在卖第" + ticket + "张票");
            ticket--;
        }
    }
}

2.2.3、Lock 锁

<font face=黑体>java.util.concurrent.locks.Lock 机制提供了比 synchronized 代码块和 synchronized 方法更广泛的锁定操作，同步代码块/同步方法具有的功能 Lock 都有,除此之外更强大,更体现面向对象。

<font face=黑体>Lock 锁也称同步锁，加锁与释放锁方法化了，如下：

1. <font face=黑体>public void lock() : 获取锁;
2. <font face=黑体>public void lock() : 释放同步锁;

<font face=黑体>Lock 锁使用步骤：

1. <font face=黑体>在成员位置创建一个 ReentrantLock 对象；
2. <font face=黑体>在可能出现安全问题的代码前调用 Lock 接口中的方法lock();
3. <font face=黑体>在可能出现安全问题的代码前调用 Lock 接口中的方法unLock();

<font face=黑体>利用 Lock 锁实现线程安全的具体代码实现如下所示：

public class RunnableImpl implements Runnable {

    // 定义一个多线程共享的票源
    private int ticket = 100;

    // 在成员位置创建一个 ReentrantLock 对象；
    Lock l = new ReentrantLock(); 

    // 卖票
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            l.lock();
            if (ticket > 0) {

                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->正在卖第" + ticket + "张票");
                ticket--;
            }
            l.unlock();
        }
    }
}

三、小结

<font face=黑体>多线程的线程安全我们已经讲完了，下一节我们来讲线程状态。

四、源码

<font face=黑体>文章中用到的所有源码已上传至 github，有需要的可以去下载。