Java 多线程（二）——线程安全
一、前言
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
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。
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--;
}
}
}
}
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();
}
}
测试结果如下所示：
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
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。
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。
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。
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：
- 同步代码块；
- 同步方法；
- 锁机制；
2.2.1、同步代码块
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。
格式：
synchronized(同步锁){
需要同步操作的代码
}
注意：
- 代码块中的锁对象可以是任意对象；
- 但是必须保证多个线程使用的锁对象是同一个；
- 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；
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--;
}
}
}
}
}
同步技术的原理：
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
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。
格式：
public synchronized void method(){
可能会产生线程安全问题的代码
}
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
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。
Lock 锁也称同步锁，加锁与释放锁方法化了，如下：
- public void lock() : 获取锁;
- public void lock() : 释放同步锁;
Lock 锁使用步骤：
- 在成员位置创建一个 ReentrantLock 对象；
- 在可能出现安全问题的代码前调用 Lock 接口中的方法lock();
- 在可能出现安全问题的代码前调用 Lock 接口中的方法unLock();
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
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。
系列文章如下：
- Java 集合（一）——Collection集合接口、Iterator 迭代器和泛型。
- Java 集合（二）——List、Set集合和Collections工具类。
- Java 集合（三）——Map 集合。
- Java 集合（四）——集合总结。
- Java 异常的处理方式与自定义异常。
- Java 多线程（一）——多线程实现方式。
- Java 多线程（二）——线程安全。
四、源码
文章中用到的所有源码已上传至 github，有需要的可以去下载。
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