java多线程(3)---synchronized、Lock

2018-06-12 来源:  发布在  https://www.cnblogs.com/qdhxhz/p/9175159.html

synchronized、Lock

一、概述

1、出现线程不安全的原因是什么?

如果我们创建的多个线程,存在着共享数据,那么就有可能出现线程的安全问题:当其中一个线程操作共享数据时,还未操作完成,
另外的线程就参与进来,导致对共享数据的操作出现问题。

2、线程不安全解决办法

要求一个线程操作共享数据时,只有当其完成操作完成共享数据,其它线程才有机会执行共享数据。java提供了两种方式来实现同步互斥访问:synchronized和Lock。

二、synchronized

synchronized可以保证方法或代码块在运行时,同一时刻只有一个线程可以进入到临界区(互斥性),同时它还保证了共享变量的内存可见性。

1、同步代码块。

synchronized(同步监视器){
            //操作共享数据的代码
        }

注:

1.同步监视器:俗称锁,任何一个类的对象都可以才充当锁。要想保证线程的安全,必须要求所有的线程共用同一把锁!(就是每个线程进来这个锁(对象)必须是同一个,否在无效)

2.使用实现Runnable接口的方式创建多线程的话,同步代码块中的锁,可以考虑是this。如果使用继承Thread类的方式,慎用this!(理解)

3.共享数据:多个线程需要共同操作的变量。 明确哪部分是操作共享数据的代码。(就是你这个synchronized只能加在共享变量上,放错位置也会达不到效果)

2、非静态的方法

对于非静态的方法而言,使用同步的话,默认锁为:this。如果使用在继承的方式实现多线程的话,慎用!(继承的方式实现多线程看我上篇博客的:2、如何让两个线程按照指定方式有序交叉运行呢?)

3、对于静态的方法

如果使用同步,默认的锁为:当前类本身。以单例的懒汉式为例。 Class clazz = Singleton.class

4、看下面的锁是否有效

(1)无效锁

public class SynchronizedTest {
    public static void main(String[] args){
        Test t1 = new Test();
        t1.start();
        Test t2 = new Test();
        t2.start();
    }
}

class Test extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        writeSomething();
    }
 //该锁无效
 //这个是非静态方法锁,那么这个锁的对象指,当前该锁的引用对象,也就是this,这里创建了两个对象,这个this当然是同一个
    public synchronized void writeSomething(){
        for (int i=0; i<10; i++){
            System.out.print(i+" ");
        }
        System.out.println(" ");
    }
}
/*随机输出一种结果:
 * 0 0 1 1 2 2 3 4 5 3 6 4 5 6 7 8 9
 * 7 8 9
 */

(2)有效锁

public class Test1 {
    static Test2 test2 = new Test2();
    public static void main(String[] args){
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test2.writeSomething();
            }
        }).start();
        test2.writeSomething();
    }
}

class Test2{ 

    //锁有效
    //因为这里两个线程的this都指test2同一个对象
    public synchronized void writeSomething(){
        for (int i=0; i<10; i++){
            System.out.print(i+" ");
        }
        System.out.println();
    }
}
/*输出结果:仅一种可能
 * 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
 * 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
 * 因为第一个进来的,在没有执行完之前是不会释放锁的,那么另一个怎么也进不来。
 */

(3)有效锁

public class Synchronized1Test {
    static Test4 test4 = new Test4();

    public static void main(String[] args){
        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                test4.writeSomething();
            }
        }).start();

        test4.printSomething();
    }
}

class Test4{
    //这里在两个方法都放了锁,但因为锁对象是同一个,所以线程只要进入其中一个方法,那么锁就会锁住另一个方法
    public synchronized void writeSomething(){
        for (int i=0; i<10; i++){
            System.out.print(i+" ");
        }
        System.out.println();
    } 

    public synchronized void printSomething(){
        for (int i=0; i<10; i++){
            System.out.print(i+" ");
        }
    System.out.println();
    }
}
/*运行结果:仅一种可能
 * 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
 * 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
 * 这两个线程只要谁先抢到锁,那么另一个就必须等该线程释放锁,它才有机会获得锁,进入方法
 */

5、总结

关于synchronized一定要记住两点:

(1)锁(既对象)一定是要唯一,否在锁无效。

(2)对于同步代码块中的synchronized一定要放在共享变量上,否在也可能会达不到预期效果

 三、Lock简介

Lock和synchronized 不同的是synchronized 会自动释放锁,而Lock必须手动释放,如果没有释放就可能造成死锁。

并且Lock的使用一般放在try{}catch块中,最后在finally中释放锁,保证抛出异常时锁会被释放。

1、synchronized的弊端

如果一个代码块被synchronized修饰了,当一个线程获取了对应的锁,并执行该代码块时,其他线程便只能一直等待,等待获取锁的线程释放锁,而这里获取锁的线程释放锁只会有两种情况:

  1)获取锁的线程执行完了该代码块,然后线程释放对锁的占有;

  2)线程执行发生异常,此时JVM会让线程自动释放锁。

这就有下面几个问题:

(1)如果这个获取锁的线程由于要等待IO或者其他原因(比如调用sleep方法)被阻塞了,但是又没有释放锁,其他线程便只能干巴巴地等待,这点非常影响程序执行效率。

因为它没有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去(比如只等待一定的时间或者能够响应中断)

(2)如果多个线程都只是进行读操作,所以当一个线程在进行读操作时,其他线程只能等待无法进行读操作。

(3)通过synchronized无法知道线程有没有成功获取到锁。

上面的问题,Lock都能解决。

2、Lock和synchronized有以下几点不同

1)Lock是一个接口,而synchronized是Java中的关键字,synchronized是内置的语言实现;

  2)synchronized会自动释放线程占有的锁,而Lock需要主动通过unLock()去释放锁,否则很可能造成死锁现象。

  3)Lock可以让等待锁的线程响应中断,而synchronized却不行,使用synchronized时,等待的线程会一直等待下去,不能够响应中断;

  4)通过Lock可以知道有没有成功获取锁,而synchronized却无法办到。

  5)Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。

在性能上来说,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。

四、介绍java.util.concurrent.locks包下常用的类 

       下面我们就来探讨一下java.util.concurrent.locks包中常用的类和接口。

五.Lock

首先要说明的就是Lock,通过查看Lock的源码可知,Lock是一个接口

 public interface Lock {
    void lock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
    Condition newCondition();
}

下面来逐个讲述Lock接口中每个方法的使用,lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()是用来获取锁的。unLock()方法是用来释放锁的。newCondition()这个方法暂且不在此讲述,会在后面的线程协作一文中讲述。

在Lock中声明了四个方法来获取锁,那么这四个方法有何区别呢?

1、 lock()锁

首先lock()方法是平常使用得最多的一个方法,就是用来获取锁。如果锁已被其他线程获取,则进行等待。

如果采用Lock,必须主动去释放锁,因此一般来说,使用Lock必须在try{}catch{}块中进行,并且将释放锁的操作放在finally块中进行。以保证锁一定被被释放,防止死锁的发生。

Lock lock = ...;
lock.lock();
try{
    //处理任务
}catch(Exception ex){

}finally{
    lock.unlock();   //释放锁
}

2、  tryLock()

tryLock()方法是有返回值的,它表示用来尝试获取锁,如果获取成功,则返回true,如果获取失败(即锁已被其他线程获取),则返回false .

所以,一般情况下通过tryLock来获取锁时是这样使用的:

Lock lock = ...;
if(lock.tryLock()) {
     try{
         //处理任务
     }catch(Exception ex){

     }finally{
         lock.unlock();   //释放锁
     }
}else {
    //如果不能获取锁,则直接做其他事情
}

3、 tryLock(long time, TimeUnit unit)

tryLock(long time, TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是类似的,只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间,在时间期限之内如果还拿不到锁,就返回false。如果如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁,则返回true。

4、  lockInterruptibly()

当通过这个方法去获取锁时,如果线程正在等待获取锁,则这个线程能够响应中断,即中断线程的等待状态,并抛出异常。

因此lockInterruptibly()一般的使用形式如下:

public void method() throws InterruptedException {
   //调用它时需要主动抛出异常,如果获得锁就执行,如果锁已经被其它线程得到,那就抛InterruptedException异常
    lock.lockInterruptibly();
    try {
     //.....
    }
    finally {
        lock.unlock();
    }
}

注意,当一个线程获取了锁之后,是不会被interrupt()方法中断的。

       因此当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时,如果不能获取到,只有进行等待的情况下,是可以响应中断的。

    而用synchronized修饰的话,当一个线程处于等待某个锁的状态,是无法被中断的,只有一直等待下去。

六、ReentrantLock

ReentrantLock,意思是“可重入锁”。ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类,并且ReentrantLock提供了更多的方法。下面通过一些实例看具体看一下如何使用ReentrantLock。

1、  lock()的正确使用方法

public class LockTest {
    public static void main(String[] args)  {
        final LockTest test = new LockTest();

        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();

        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
    }  

    public void insert(Thread thread) {
        Lock lock = new ReentrantLock();    //注意这个地方
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
           //出来业务逻辑
        } catch (Exception e) {
        }finally {
            System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
            lock.unlock();
        }
    }
}

思考:最终结果会是怎么样?

Thread-0得到了锁
Thread-1得到了锁
Thread-0释放了锁
Thread-1释放了锁

结果

也许有朋友会问,怎么会输出这个结果?第二个线程怎么会在第一个线程释放锁之前得到了锁?原因在于,在insert方法中的lock变量是局部变量,每个线程执行该方法时都会保存一个副本,那么理所当然每个线

程执行到lock.lock()处获取的是不同的锁,所以就不会发生冲突。

所以如果要想锁有用,就把它放到全局下: private Lock lock = new ReentrantLock();

2、  tryLock()的使用方法

public class Test {
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
    private Lock lock = new ReentrantLock();    //注意这个地方
    public static void main(String[] args)  {
        final Test test = new Test();

        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();

        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
    }  

    public void insert(Thread thread) {
        if(lock.tryLock()) {
            try {
                System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
                for(int i=0;i<5;i++) {
                    arrayList.add(i);
                }
            } catch (Exception e) {
                // TODO: handle exception
            }finally {
                System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
                lock.unlock();
            }
        } else {
            System.out.println(thread.getName()+"获取锁失败");
        }
    }
}

思考,运行结果如何?

这个时候塔的结果会是如何?
/*它其实会有两种结果
  结果1
*Thread-0得到了锁
*Thread-1获取锁失败
*Thread-0释放了锁
结果二
*Thread-0得到了锁
*Thread-0释放了锁
*Thread-1得到了锁
*Thread-1释放了锁
*/

/*思考为什么会有两种结果,其实是很简单
分析结果1:
 * 当0线程进来的时候,还没有执行完,这个时候1线程进来发现锁被0还占用,所以只能执行else后方法.
 * 这个时候0线程也把剩下的执行完了。
分析结果二
 *当0进来的时候已经把程序全部执行完后,并释放了锁,而再1线程进来又可以获得锁,又可以执行相关程序
 */

运行结果

3、   lockInterruptibly()响应中断的使用方法

public class InterrupTest {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args)  {
        InterrupTest test = new InterrupTest();
        MyThread thread0 = new MyThread(test);
        MyThread thread1 = new MyThread(test);
        thread0.start();
        thread1.start();

        thread1.interrupt();
    }  

    public void insert(Thread thread) throws InterruptedException{
        lock.lockInterruptibly();   //注意,如果需要正确中断等待锁的线程,必须将获取锁放在外面,然后将InterruptedException抛出
        try {
            System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
        }
        finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"执行finally");
            lock.unlock();
            System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
        }
    }
}

class MyThread extends Thread {
    private InterrupTest test = null;
    public MyThread(InterrupTest test) {
        this.test = test;
    }
    @Override
    public void run() {

        try {
            test.insert(Thread.currentThread());
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被中断");
        }
    }
}

思考,运行结果如何?

/*运行结果(不一定都是这样)
 *Thread-0得到了锁
 *Thread-1被中断
 *Thread-0执行finally
 *Thread-0释放了锁
 */

/*原因分析
 * 其实就是0先获得所,0在获得锁的同时1进来了,发现锁已被占用那么直接向上抛异常
 * 然后捕获异常就这样输出了。
 */

运行结果

七、ReadWriteLock

ReadWriteLock也是一个接口,在它里面只定义了两个方法

public interface ReadWriteLock {
    /**
     * Returns the lock used for reading.
     */
    Lock readLock();

    /**
     * Returns the lock used for writing.
     */
    Lock writeLock();
}

一个用来获取读锁,一个用来获取写锁。也就是说将文件的读写操作分开,分成2个锁来分配给线程,从而使得多个线程可以同时进行读操作。

八、ReentrantReadWriteLock

ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口,ReentrantReadWriteLock里面提供了很多丰富的方法,不过最主要的有两个方法:readLock()和writeLock()用来获取读锁和写锁。

下面通过几个例子来看一下ReentrantReadWriteLock具体用法。

1、假如有多个线程要同时进行读操作的话,先看一下synchronized达到的效果

public class Test6 {  

    public static void main(String[] args)  {
        final Test6 test = new Test6();

        new Thread(){
            public void run() {
                test.get(Thread.currentThread());
            };
        }.start();

        new Thread(){
            public void run() {
                test.get(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
    }  

    public synchronized void get(Thread thread) {

          for(int i=0;i<3;i++){
            System.out.println(thread.getName()+"正在进行读操作");
          }
        System.out.println(thread.getName()+"读操作完毕");
    }
}

思考,运行结果如何?

/*运行结果
 Thread-0正在进行读操作
 Thread-0正在进行读操作
 Thread-0正在进行读操作
 Thread-0读操作完毕
 Thread-1正在进行读操作
 Thread-1正在进行读操作
 Thread-1正在进行读操作
 Thread-1读操作完毕
 */
 //这段程序的输出结果会是,直到thread1执行完读操作之后,才会打印thread2执行读操作的信息。

运行结果

2、优化成用读写锁的话

 public static void main(String[] args)  {
        final WriteTest test = new WriteTest();

        new Thread(){
            public void run() {
                test.get(Thread.currentThread());
            };
        }.start();

        new Thread(){
            public void run() {
                test.get(Thread.currentThread());
            };
        }.start();

    }  

    public void get(Thread thread) {       //这里放读锁
        rwl.readLock().lock();
        try {
            for(int i=0;i<3;i++){
                System.out.println(thread.getName()+"正在进行读操作");
              }
            try {
                Thread.currentThread().sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(thread.getName()+"读操作完毕");
        } finally {             //这里释放锁
            rwl.readLock().unlock();
        }
    }
}

思考,运行结果如何?

/*运行结果(存在多种结果)
 Thread-0正在进行读操作
 Thread-0正在进行读操作
 Thread-0正在进行读操作
 Thread-1正在进行读操作
 Thread-1正在进行读操作
 Thread-1正在进行读操作
 Thread-0读操作完毕
 Thread-1读操作完毕

 这就说明:并没有一个线程占着锁一定要执行完才释放锁
 */ 

运行结果

这就说明thread1和thread2在同时进行读操作。这样就大大提升了读操作的效率。

  不过要注意的是,如果有一个线程已经占用了读锁,则此时其他线程如果要申请写锁,则申请写锁的线程会一直等待释放读锁。

  如果有一个线程已经占用了写锁,则此时其他线程如果申请写锁或者读锁,则申请的线程会一直等待释放写锁。

九、锁的相关概念介绍

在前面介绍了Lock的基本使用,这一节来介绍一下与锁相关的几个概念。

1.可重入锁

如果锁具备可重入性,则称作为可重入锁。像synchronized和ReentrantLock都是可重入锁。

看下面这段代码就明白了:

class MyClass {
    public synchronized void method1() {
        method2();
    }

    public synchronized void method2() {

    }
}

上述代码中的两个方法method1和method2都用synchronized修饰了,假如某一时刻,线程A执行到了method1,此时线程A获取了这个对象的锁,而由于method2也是synchronized方法,假如synchronized不具备

可重入性,此时线程A需要重新申请锁。但是这就会造成一个问题,因为线程A已经持有了该对象的锁,而又在申请获取该对象的锁,这样就会线程A一直等待永远不会获取到的锁。

 而由于synchronized和Lock都具备可重入性,所以不会发生上述现象。

2.可中断锁

可中断锁:顾名思义,就是可以相应中断的锁。在Java中,synchronized就不是可中断锁,而Lock是可中断锁。

如果某一线程A正在执行锁中的代码,另一线程B正在等待获取该锁,可能由于等待时间过长,线程B不想等待了,想先处理其他事情,我们可以让它中断自己或者在别的线程中中断它,这种就是可中断锁。

在前面演示lockInterruptibly()的用法时已经体现了Lock的可中断性。

3.公平锁

公平锁即尽量以请求锁的顺序来获取锁。比如同是有多个线程在等待一个锁,当这个锁被释放时,等待时间最久的线程(最先请求的线程)会获得该所,这种就是公平锁。

非公平锁即无法保证锁的获取是按照请求锁的顺序进行的。这样就可能导致某个或者一些线程永远获取不到锁。

在Java中,synchronized就是非公平锁,它无法保证等待的线程获取锁的顺序。

而对于ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock,它默认情况下是非公平锁,但是可以设置为公平锁。

可以在创建ReentrantLock对象时,通过以下方式来设置锁的公平性:

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

如果参数为true表示为公平锁,为fasle为非公平锁。默认情况下,如果使用无参构造器,则是非公平锁。

4.读写锁

读写锁将对一个资源(比如文件)的访问分成了2个锁,一个读锁和一个写锁。正因为有了读写锁,才使得多个线程之间的读操作不会发生冲突。

ReadWriteLock就是读写锁,它是一个接口,ReentrantReadWriteLock实现了这个接口。可以通过readLock()获取读锁,通过writeLock()获取写锁。

     上面已经演示过了读写锁的使用方法,在此不再赘述。

参考

非常感谢这两篇文章:

1、synchronized / Lock+volatile

2、Java并发编程:Lock

想太多,做太少,中间的落差就是烦恼。想没有烦恼,要么别想,要么多做。少校【9】

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