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线程的安全问题及解决
当我们使用多个线程访问同一资源(可以是同一个变量、同一个文件、同一条记录等)的时候,若多个线程只有读操作
,那么不会发生线程安全问题。但是如果多个线程中对资源有读和写
的操作,就容易出现线程安全问题。
同一个资源问题和线程安全问题
案例:
火车站要卖票,我们模拟火车站的卖票过程。因为疫情期间,本次列车的座位共100个(即,只能出售100张火车票)。我们来模拟车站的售票窗口,实现多个窗口同时售票的过程。注意:不能出现错票、重票。
class Window extends Thread {
public void run() {
int ticket = 100;
while (ticket > 0) {
System.out.println(getName() + "卖出一张票,票号:" + ticket);
ticket--;
}
}
}
public class SaleTicketDemo1 {
public static void main(String[] args) {
Window w1 = new Window();
Window w2 = new Window();
Window w3 = new Window();
w1.setName("窗口1");
w2.setName("窗口2");
w3.setName("窗口3");
w1.start();
w2.start();
w3.start();
}
}
结果:发现卖出300张票。
问题:局部变量是每次调用方法都是独立的,那么每个线程的run()的ticket是独立的,不是共享数据。
不同对象的实例变量不共享
class TicketWindow extends Thread {
private int ticket = 100;
public void run() {
while (ticket > 0) {
System.out.println(getName() + "卖出一张票,票号:" + ticket);
ticket--;
}
}
}
public class SaleTicketDemo2 {
public static void main(String[] args) {
TicketWindow w1 = new TicketWindow();
TicketWindow w2 = new TicketWindow();
TicketWindow w3 = new TicketWindow();
w1.setName("窗口1");
w2.setName("窗口2");
w3.setName("窗口3");
w1.start();
w2.start();
w3.start();
}
}
结果:发现卖出300张票。
问题:不同的实例对象的实例变量是独立的。
静态变量是共享的
示例代码:
class TicketSaleThread extends Thread {
private static int ticket = 100;
public void run() {
while (ticket > 0) {
try {
Thread.sleep(10);//加入这个,使得问题暴露的更明显
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(getName() + "卖出一张票,票号:" + ticket);
ticket--;
}
}
}
public class SaleTicketDemo3 {
public static void main(String[] args) {
TicketSaleThread t1 = new TicketSaleThread();
TicketSaleThread t2 = new TicketSaleThread();
TicketSaleThread t3 = new TicketSaleThread();
t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t3.setName("窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
运行结果
窗口1卖出一张票,票号:100
窗口2卖出一张票,票号:100
窗口3卖出一张票,票号:100
窗口3卖出一张票,票号:97
窗口1卖出一张票,票号:97
窗口2卖出一张票,票号:97
窗口1卖出一张票,票号:94
窗口3卖出一张票,票号:94
窗口2卖出一张票,票号:94
窗口2卖出一张票,票号:91
窗口1卖出一张票,票号:91
窗口3卖出一张票,票号:91
窗口3卖出一张票,票号:88
窗口1卖出一张票,票号:88
窗口2卖出一张票,票号:88
窗口3卖出一张票,票号:85
窗口1卖出一张票,票号:85
窗口2卖出一张票,票号:85
窗口3卖出一张票,票号:82
窗口1卖出一张票,票号:82
窗口2卖出一张票,票号:82
窗口2卖出一张票,票号:79
窗口3卖出一张票,票号:79
窗口1卖出一张票,票号:79
窗口3卖出一张票,票号:76
窗口1卖出一张票,票号:76
窗口2卖出一张票,票号:76
窗口1卖出一张票,票号:73
窗口2卖出一张票,票号:73
窗口3卖出一张票,票号:73
窗口2卖出一张票,票号:70
窗口1卖出一张票,票号:70
窗口3卖出一张票,票号:70
窗口2卖出一张票,票号:67
窗口3卖出一张票,票号:67
窗口1卖出一张票,票号:67
窗口1卖出一张票,票号:64
窗口3卖出一张票,票号:64
窗口2卖出一张票,票号:64
窗口2卖出一张票,票号:61
窗口3卖出一张票,票号:61
窗口1卖出一张票,票号:61
窗口1卖出一张票,票号:58
窗口2卖出一张票,票号:58
窗口3卖出一张票,票号:58
窗口2卖出一张票,票号:55
窗口1卖出一张票,票号:55
窗口3卖出一张票,票号:55
窗口3卖出一张票,票号:52
窗口1卖出一张票,票号:52
窗口2卖出一张票,票号:52
窗口2卖出一张票,票号:49
窗口1卖出一张票,票号:49
窗口3卖出一张票,票号:49
窗口2卖出一张票,票号:46
窗口3卖出一张票,票号:46
窗口1卖出一张票,票号:46
窗口2卖出一张票,票号:43
窗口3卖出一张票,票号:43
窗口1卖出一张票,票号:43
窗口3卖出一张票,票号:40
窗口1卖出一张票,票号:40
窗口2卖出一张票,票号:40
窗口2卖出一张票,票号:37
窗口3卖出一张票,票号:37
窗口1卖出一张票,票号:37
窗口2卖出一张票,票号:34
窗口1卖出一张票,票号:34
窗口3卖出一张票,票号:34
窗口3卖出一张票,票号:31
窗口2卖出一张票,票号:31
窗口1卖出一张票,票号:31
窗口1卖出一张票,票号:28
窗口2卖出一张票,票号:28
窗口3卖出一张票,票号:28
窗口2卖出一张票,票号:25
窗口1卖出一张票,票号:25
窗口3卖出一张票,票号:25
窗口2卖出一张票,票号:22
窗口3卖出一张票,票号:22
窗口1卖出一张票,票号:22
窗口3卖出一张票,票号:19
窗口1卖出一张票,票号:19
窗口2卖出一张票,票号:19
窗口2卖出一张票,票号:16
窗口3卖出一张票,票号:16
窗口1卖出一张票,票号:16
窗口2卖出一张票,票号:13
窗口1卖出一张票,票号:13
窗口3卖出一张票,票号:13
窗口2卖出一张票,票号:10
窗口1卖出一张票,票号:10
窗口3卖出一张票,票号:10
窗口3卖出一张票,票号:7
窗口1卖出一张票,票号:7
窗口2卖出一张票,票号:7
窗口3卖出一张票,票号:4
窗口1卖出一张票,票号:4
窗口2卖出一张票,票号:4
窗口3卖出一张票,票号:1
窗口2卖出一张票,票号:1
窗口1卖出一张票,票号:1
结果:发现卖出近100张票。
问题1:但是有重复票或负数票问题。
原因:线程安全问题
问题2:如果要考虑有两场电影,各卖100张票等
原因:TicketThread类的静态变量,是所有TicketThread类的对象共享
同一个对象的实例变量共享
示例代码:多个Thread线程使用同一个Runnable对象
class TicketSaleRunnable implements Runnable {
private int ticket = 100;
public void run() {
while (ticket > 0) {
try {
Thread.sleep(10);//加入这个,使得问题暴露的更明显
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票,票号:" + ticket);
ticket--;
}
}
}
public class SaleTicketDemo4 {
public static void main(String[] args) {
TicketSaleRunnable tr = new TicketSaleRunnable();
Thread t1 = new Thread(tr, "窗口一");
Thread t2 = new Thread(tr, "窗口二");
Thread t3 = new Thread(tr, "窗口三");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
结果:发现卖出近100张票。
问题:但是有重复票或负数票问题。
原因:线程安全问题
抽取资源类,共享同一个资源对象
示例代码:
//1、编写资源类
class Ticket {
private int ticket = 100;
public void sale() {
if (ticket > 0) {
try {
Thread.sleep(10);//加入这个,使得问题暴露的更明显
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票,票号:" + ticket);
ticket--;
} else {
throw new RuntimeException("没有票了");
}
}
public int getTicket() {
return ticket;
}
}
public class SaleTicketDemo5 {
public static void main(String[] args) {
//2、创建资源对象
Ticket ticket = new Ticket();
//3、启动多个线程操作资源类的对象
Thread t1 = new Thread("窗口一") {
public void run() {
while (true) {
ticket.sale();
}
}
};
Thread t2 = new Thread("窗口二") {
public void run() {
while (true) {
ticket.sale();
}
}
};
Thread t3 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
ticket.sale();
}
}, "窗口三");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
结果:发现卖出近100张票。
问题:但是有重复票或负数票问题。
原因:线程安全问题
同步机制解决线程安全问题
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。注意:在任何时候,最多允许一个线程拥有同步锁,谁拿到锁就进入代码块,其他的线程只能在外等着(BLOCKED)。
同步机制解决线程安全问题的原理
同步机制的原理,其实就相当于给某段代码加“锁”,任何线程想要执行这段代码,都要先获得“锁”,我们称它为同步锁。因为Java对象在堆中的数据分为分为对象头、实例变量、空白的填充。而对象头中包含:
-
Mark Word:记录了和当前对象有关的GC、锁标记等信息。
-
指向类的指针:每一个对象需要记录它是由哪个类创建出来的。
-
数组长度(只有数组对象才有)
哪个线程获得了“同步锁”对象之后,”同步锁“对象就会记录这个线程的ID,这样其他线程就只能等待了,除非这个线程”释放“了锁对象,其他线程才能重新获得/占用”同步锁“对象。
同步代码块和同步方法
同步代码块:synchronized 关键字可以用于某个区块前面,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
}
同步方法:synchronized 关键字直接修饰方法,表示同一时刻只有一个线程能进入这个方法,其他线程在外面等着。
public synchronized void method(){
可能会产生线程安全问题的代码
}
synchronized的锁是什么
同步锁对象可以是任意类型,但是必须保证竞争“同一个共享资源”的多个线程必须使用同一个“同步锁对象”。
对于同步代码块来说,同步锁对象是由程序员手动指定的(很多时候也是指定为this或类名.class),但是对于同步方法来说,同步锁对象只能是默认的:
-
静态方法:当前类的Class对象(类名.class)
-
非静态方法:this
同步操作的思考顺序
1、如何找问题,即代码是否存在线程安全?(非常重要) (1)明确哪些代码是多线程运行的代码 (2)明确多个线程是否有共享数据 (3)明确多线程运行代码中是否有多条语句操作共享数据
2、如何解决呢?(非常重要) 对多条操作共享数据的语句,只能让一个线程都执行完,在执行过程中,其他线程不可以参与执行。 即所有操作共享数据的这些语句都要放在同步范围中
3、切记:
范围太小:不能解决安全问题
范围太大:因为一旦某个线程抢到锁,其他线程就只能等待,所以范围太大,效率会降低,不能合理利用CPU资源。
代码演示
示例一:静态方法加锁
class TicketSaleThread extends Thread{
private static int ticket = 100;
public void run(){//直接锁这里,肯定不行,会导致,只有一个窗口卖票
while (ticket > 0) {
saleOneTicket();
}
}
public synchronized static void saleOneTicket(){//锁对象是TicketSaleThread类的Class对象,而一个类的Class对象在内存中肯定只有一个
if(ticket > 0) {//不加条件,相当于条件判断没有进入锁管控,线程安全问题就没有解决
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票,票号:" + ticket);
ticket--;
}
}
}
public class SaleTicketDemo3 {
public static void main(String[] args) {
TicketSaleThread t1 = new TicketSaleThread();
TicketSaleThread t2 = new TicketSaleThread();
TicketSaleThread t3 = new TicketSaleThread();
t1.setName("窗口1");
t2.setName("窗口2");
t3.setName("窗口3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
示例二:非静态方法加锁
public class SaleTicketDemo4 {
public static void main(String[] args) {
TicketSaleRunnable tr = new TicketSaleRunnable();
Thread t1 = new Thread(tr, "窗口一");
Thread t2 = new Thread(tr, "窗口二");
Thread t3 = new Thread(tr, "窗口三");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
class TicketSaleRunnable implements Runnable {
private int ticket = 100;
public void run() {//直接锁这里,肯定不行,会导致,只有一个窗口卖票
while (ticket > 0) {
saleOneTicket();
}
}
public synchronized void saleOneTicket() {//锁对象是this,这里就是TicketSaleRunnable对象,因为上面3个线程使用同一个TicketSaleRunnable对象,所以可以
if (ticket > 0) {//不加条件,相当于条件判断没有进入锁管控,线程安全问题就没有解决
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票,票号:" + ticket);
ticket--;
}
}
}
示例三:同步代码块
package com.atguigu.safe;
public class SaleTicketDemo5 {
public static void main(String[] args) {
//2、创建资源对象
Ticket ticket = new Ticket();
//3、启动多个线程操作资源类的对象
Thread t1 = new Thread("窗口一") {
public void run() {//不能给run()直接加锁,因为t1,t2,t3的三个run方法分别属于三个Thread类对象,
// run方法是非静态方法,那么锁对象默认选this,那么锁对象根本不是同一个
while (true) {
synchronized (ticket) {
ticket.sale();
}
}
}
};
Thread t2 = new Thread("窗口二") {
public void run() {
while (true) {
synchronized (ticket) {
ticket.sale();
}
}
}
};
Thread t3 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
while (true) {
synchronized (ticket) {
ticket.sale();
}
}
}
}, "窗口三");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
//1、编写资源类
class Ticket {
private int ticket = 1000;
public void sale() {//也可以直接给这个方法加锁,锁对象是this,这里就是Ticket对象
if (ticket > 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票,票号:" + ticket);
ticket--;
} else {
throw new RuntimeException("没有票了");
}
}
public int getTicket() {
return ticket;
}
}
死锁
不同的线程分别占用对方需要的同步资源不放弃,都在等待对方放弃自己需要的同步资源,就形成了线程的死锁。
一旦出现死锁,整个程序既不会发生异常,也不会给出任何提示,只是所有线程处于阻塞状态,无法继续。
举例
public class DeadLockTest {
public static void main(String[] args) {
StringBuilder s1 = new StringBuilder();
StringBuilder s2 = new StringBuilder();
new Thread() {
public void run() {
synchronized (s1) {
s1.append("a");
s2.append("1");
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (s2) {
s1.append("b");
s2.append("2");
System.out.println(s1);
System.out.println(s2);
}
}
}
}.start();
new Thread() {
public void run() {
synchronized (s2) {
s1.append("c");
s2.append("3");
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (s1) {
s1.append("d");
s2.append("4");
System.out.println(s1);
System.out.println(s2);
}
}
}
}.start();
}
}
诱发死锁的原因:
-
互斥条件
-
占用且等待
-
不可抢夺(或不可抢占)
-
循环等待
以上4个条件,同时出现就会触发死锁。
解决死锁:
死锁一旦出现,基本很难人为干预,只能尽量规避。可以考虑打破上面的诱发条件。
针对条件1:互斥条件基本上无法被破坏。因为线程需要通过互斥解决安全问题。
针对条件2:可以考虑一次性申请所有所需的资源,这样就不存在等待的问题。
针对条件3:占用部分资源的线程在进一步申请其他资源时,如果申请不到,就主动释放掉已经占用的资源。
针对条件4:可以将资源改为线性顺序。申请资源时,先申请序号较小的,这样避免循环等待问题。
JDK5.0新特性:Lock(锁)
-
JDK5.0的新增功能,保证线程的安全。与采用synchronized相比,Lock可提供多种锁方案,更灵活、更强大。Lock通过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用Lock对象充当。
-
java.util.concurrent.locks.Lock接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。锁提供了对共享资源的独占访问,每次只能有一个线程对Lock对象加锁,线程开始访问共享资源之前应先获得Lock对象。
-
在实现线程安全的控制中,比较常用的是
ReentrantLock
,可以显式加锁、释放锁。-
ReentrantLock类实现了 Lock 接口,它拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义,但是添加了类似锁投票、定时锁等候和可中断锁等候的一些特性。此外,它还提供了在激烈争用情况下更佳的性能。
-
-
Lock锁也称同步锁,加锁与释放锁方法,如下:
-
public void lock() :加同步锁。
-
public void unlock() :释放同步锁。
-
-
代码结构
class A{
//1. 创建Lock的实例,必须确保多个线程共享同一个Lock实例
private final ReentrantLock lock = new ReenTrantLock();
public void m(){
//2. 调动lock(),实现需共享的代码的锁定
lock.lock();
try{
//保证线程安全的代码;
}
finally{
//3. 调用unlock(),释放共享代码的锁定
lock.unlock();
}
}
}
举例:
class Window implements Runnable{
int ticket = 100;
//1. 创建Lock的实例,必须确保多个线程共享同一个Lock实例
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void run(){
while(true){
try{
//2. 调动lock(),实现需共享的代码的锁定
lock.lock();
if(ticket > 0){
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(ticket--);
}else{
break;
}
}finally{
//3. 调用unlock(),释放共享代码的锁定
lock.unlock();
}
}
}
}
public class ThreadLock {
public static void main(String[] args) {
Window t = new Window();
Thread t1 = new Thread(t);
Thread t2 = new Thread(t);
t1.start();
t2.start();
}
}
synchronized与Lock的对比
-
Lock是显式锁(手动开启和关闭锁,别忘记关闭锁),synchronized是隐式锁,出了作用域、遇到异常等自动解锁
-
Lock只有代码块锁,synchronized有代码块锁和方法锁
-
使用Lock锁,JVM将花费较少的时间来调度线程,性能更好。并且具有更好的扩展性(提供更多的子类),更体现面向对象。
-
(了解)Lock锁可以对读不加锁,对写加锁,synchronized不可以
-
(了解)Lock锁可以有多种获取锁的方式,可以从sleep的线程中抢到锁,synchronized不可以
说明:开发建议中处理线程安全问题优先使用顺序为:
• Lock ----> 同步代码块 ----> 同步方法
线程的通信
线程间通信
为什么要处理线程间通信:
当我们需要多个线程
来共同完成一件任务,并且我们希望他们有规律的执行
,那么多线程之间需要一些通信机制,可以协调它们的工作,以此实现多线程共同操作一份数据。
比如:线程A用来生产包子的,线程B用来吃包子的,包子可以理解为同一资源,线程A与线程B处理的动作,一个是生产,一个是消费,此时B线程必须等到A线程完成后才能执行,那么线程A与线程B之间就需要线程通信,即—— 等待唤醒机制。
等待唤醒机制
这是多个线程间的一种协作机制
。谈到线程我们经常想到的是线程间的竞争(race)
,比如去争夺锁,但这并不是故事的全部,线程间也会有协作机制。
在一个线程满足某个条件时,就进入等待状态(wait() / wait(time)
), 等待其他线程执行完他们的指定代码过后再将其唤醒(notify()
);或可以指定wait的时间,等时间到了自动唤醒;在有多个线程进行等待时,如果需要,可以使用 notifyAll()
来唤醒所有的等待线程。wait/notify 就是线程间的一种协作机制。
-
wait:线程不再活动,不再参与调度,进入
wait set
中,因此不会浪费 CPU 资源,也不会去竞争锁了,这时的线程状态是 WAITING 或 TIMED_WAITING。它还要等着别的线程执行一个特别的动作
,也即“通知(notify)
”或者等待时间到,在这个对象上等待的线程从wait set 中释放出来,重新进入到调度队列(ready queue
)中 -
notify:则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放;
-
notifyAll:则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。
注意:
被通知的线程被唤醒后也不一定能立即恢复执行,因为它当初中断的地方是在同步块内,而此刻它已经不持有锁,所以它需要再次尝试去获取锁(很可能面临其它线程的竞争),成功后才能在当初调用 wait 方法之后的地方恢复执行。
总结如下:
如果能获取锁,线程就从 WAITING 状态变成 RUNNABLE(可运行) 状态;
否则,线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED(等待锁) 状态
调用wait和notify需注意的细节
-
wait方法与notify方法必须要由
同一个锁对象调用
。因为:对应的锁对象可以通过notify唤醒使用同一个锁对象调用的wait方法后的线程。 -
wait方法与notify方法是属于Object类的方法的。因为:锁对象可以是任意对象,而任意对象的所属类都是继承了Object类的。
-
wait方法与notify方法必须要在
同步代码块
或者是同步函数
中使用。因为:必须要通过锁对象
调用这2个方法。否则会报java.lang.IllegalMonitorStateException异常。
新增方式二:使用线程池
现有问题:
如果并发的线程数量很多,并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了,这样频繁创建线程就会大大降低系统的效率,因为频繁创建线程和销毁线程需要时间。
那么有没有一种办法使得线程可以复用,即执行完一个任务,并不被销毁,而是可以继续执行其他的任务?
思路:提前创建好多个线程,放入线程池中,使用时直接获取,使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。类似生活中的公共交通工具。
好处:
-
提高响应速度(减少了创建新线程的时间)
-
降低资源消耗(重复利用线程池中线程,不需要每次都创建)
-
便于线程管理
-
corePoolSize:核心池的大小
-
maximumPoolSize:最大线程数
-
keepAliveTime:线程没有任务时最多保持多长时间后会终止
-
…
-
线程池相关API
-
JDK5.0之前,我们必须手动自定义线程池。从JDK5.0开始,Java内置线程池相关的API。在java.util.concurrent包下提供了线程池相关API:
ExecutorService
和Executors
。 -
ExecutorService
:真正的线程池接口。常见子类ThreadPoolExecutor-
void execute(Runnable command)
:执行任务/命令,没有返回值,一般用来执行Runnable -
<T> Future<T> submit(Callable<T> task)
:执行任务,有返回值,一般又来执行Callable -
void shutdown()
:关闭连接池
-
-
Executors
:一个线程池的工厂类,通过此类的静态工厂方法可以创建多种类型的线程池对象。-
Executors.newCachedThreadPool()
:创建一个可根据需要创建新线程的线程池 -
Executors.newFixedThreadPool(int nThreads)
; 创建一个可重用固定线程数的线程池 -
Executors.newSingleThreadExecutor()
:创建一个只有一个线程的线程池 -
Executors.newScheduledThreadPool(int corePoolSize)
:创建一个线程池,它可安排在给定延迟后运行命令或者定期地执行。
-
以上资料均来自尚硅谷