Java多線程之搞定最后一公里詳解
緒論
上期介紹了多線程的概念、優(yōu)勢、創(chuàng)建方法以及幾個常用的關(guān)鍵字。有了之前的基礎(chǔ)過后，我們來討論討論線程安全問題以及其他線程進階知識。
一：線程安全問題
1.1 提出問題
首先，給大家看一下這個代碼：
public class yy1 {
private static class Counter {
private long n = 0;
public void increment() {
n++;
}
public void decrement() {
n--;
}
public long value() {
return n;
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final int COUNT = 1000_0000;
Counter counter = new Counter();
Thread thread = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
counter.increment();
}
}, "李四");
thread.start();
for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
counter.decrement();
}
thread.join();
// 期望最終結(jié)果應(yīng)該是 0
System.out.println(counter.value());
}
}
大家看結(jié)果：
大家觀察下是否適用多線程的現(xiàn)象是否一致？同時嘗試思考下為什么會有這樣的現(xiàn)象發(fā)生呢？
想給出一個線程安全的確切定義是復(fù)雜的，但我們可以這樣認(rèn)為：
如果多線程環(huán)境下代碼運行的結(jié)果是符合我們預(yù)期的，即在單線程環(huán)境應(yīng)該的結(jié)果，則說這個程序是線程安全的。
1.2 不安全的原因
1.2.1 原子性
舉個簡單的例子，當(dāng)我i們買票的時候，如果車站剩余票數(shù)大于0，就可以買。反之，買完一張票后，車站的票數(shù)也會自動減一。假設(shè)出現(xiàn)這種情況，兩個人同時來買票，只剩最后一張票，前面那個人把最后一張票買了，但是短時間內(nèi)票數(shù)還沒減一也就是清零，這時另外一個人看到還有一張票，于是提交訂單，但是其實已經(jīng)沒有多余的票了，那么問題就來了。這時我們引入原子性：
我們把一段代碼想象成一個房間，每個線程就是要進入這個房間的人。如果沒有任何機制保證， A 進入房間之后，還 沒有出來； B 是不是也可以進入房間，打斷 A 在房間里的隱私。這個就是不具備原子性的。 那我們應(yīng)該如何解決這個問題呢？是不是只要給房間加一把鎖， A 進去就把門鎖上，其他人是不是就進不來了。這樣 就保證了這段代碼的原子性了。 有時也把這個現(xiàn)象叫做同步互斥，表示操作是互相排斥的。 不保證原子性， 如果一個線程正在對一個變量操作，中途其他線程插入進來了，如果這個操作被打斷了，結(jié)果就可能是錯誤的。
1.2.2 代碼“優(yōu)化”
一段代碼是這樣的：
1. 去前臺取下 U 盤
2. 去教室寫 10 分鐘作業(yè)
3. 去前臺取下快遞
如果是在單線程情況下， JVM 、 CPU 指令集會對其進行優(yōu)化，比如，按 1->3->2 的方式執(zhí)行，也是沒問題，可以少跑 一次前臺。這種叫做指令重排序。 剛才那個例子中，單線程情況是沒問題的，優(yōu)化是正確的，但在多線程場景下就有問題了，什么問題呢?？赡芸爝f是 在你寫作業(yè)的10 分鐘內(nèi)被另一個線程放過來的，或者被人變過了，如果指令重排序了，代碼就會是錯誤的。
二：如何解決線程不安全的問題
2.1 通過synchronized關(guān)鍵字
synchronized 的底層是使用操作系統(tǒng)的 mutex lock 實現(xiàn)的。 當(dāng)線程釋放鎖時， JMM 會把該線程對應(yīng)的工作內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存中 當(dāng)線程獲取鎖時， JMM 會把該線程對應(yīng)的本地內(nèi)存置為無效。從而使得被監(jiān)視器保護的臨界區(qū)代碼必須從主內(nèi) 存中讀取共享變量 synchronized 用的鎖是存在 Java對象頭里的。 synchronized 同步快對同一條線程來說是可重入的，不會出現(xiàn)自己把自己鎖死的問題； 同步塊在已進入的線程執(zhí)行完之前，會阻塞后面其他線程的進入。
鎖的 SynchronizedDemo 對象
public class SynchronizedDemo {
public synchronized static void methond() {
}
public static void main(String[] args) {
method();
// 進入方法會鎖 SynchronizedDemo.class 指向?qū)ο笾械逆i；出方法會釋放
SynchronizedDemo.class 指向的對象中的鎖
}
}
鎖的 SynchronizedDemo 類的對象
public class SynchronizedDemo {
public synchronized static void methond() {
}
public static void main(String[] args) {
method();
// 進入方法會鎖 SynchronizedDemo.class 指向?qū)ο笾械逆i；出方法會釋放
SynchronizedDemo.class 指向的對象中的鎖
}
}
明確鎖的對象
public class SynchronizedDemo {
public synchronized static void methond() {
}
public static void main(String[] args) {
method();
// 進入方法會鎖 SynchronizedDemo.class 指向?qū)ο笾械逆i；出方法會釋放
SynchronizedDemo.class 指向的對象中的鎖
}
}
public class SynchronizedDemo {
public void methond() {
// 進入代碼塊會鎖 SynchronizedDemo.class 指向?qū)ο笾械逆i；出代碼塊會釋放
SynchronizedDemo.class 指向的對象中的鎖
synchronized (SynchronizedDemo.class) {
}
}
public static void main(String[] args) {
SynchronizedDemo demo = new SynchronizedDemo();
demo.method();
}
}
2.2 volatile
這里提一下volatile：
首先，被volatile關(guān)鍵字修飾的變量，編譯器與運行時都會注意到這個變量是共享的，因此不會將該變量上的操作與其他內(nèi)存操作一起重排序。volatile變量不會被緩存在寄存器或者對其他處理器不可見的地方，因此在讀取volatile類型的變量時總會返回最新寫入的值。
在訪問volatile變量時不會執(zhí)行加鎖操作，因此也就不會使執(zhí)行線程阻塞，因此volatile變量是一種比sychronized關(guān)鍵字更輕量級的同步機制。當(dāng)對非 volatile 變量進行讀寫的時候，每個線程先從內(nèi)存拷貝變量到CPU緩存中。如果計算機有多個CPU，每個線程可能在不同的CPU上被處理，這意味著每個線程可以拷貝到不同的 CPU cache 中。而聲明變量是 volatile 的，JVM 保證了每次讀變量都從內(nèi)存中讀，跳過 CPU cache 這一步
三：wait和notify關(guān)鍵字
3.1 wait方法
其實 wait() 方法就是使線程停止運行。
1. 方法 wait() 的作用是使當(dāng)前執(zhí)行代碼的線程進行等待， wait() 方法是 Object 類的方法，該方法是用來將當(dāng)前線程 置入 “ 預(yù)執(zhí)行隊列 ” 中，并且在 wait() 所在的代碼處停止執(zhí)行，直到接到通知或被中斷為止。
2. wait() 方法只能在同步方法中或同步塊中調(diào)用。如果調(diào)用 wait() 時，沒有持有適當(dāng)?shù)逆i，會拋出異常。
3. wait() 方法執(zhí)行后，當(dāng)前線程釋放鎖，線程與其它線程競爭重新獲取鎖。
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object object = new Object();
synchronized (object) {
System.out.println(" 等待中 ...");
object.wait();
System.out.println(" 等待已過 ...");
}
System.out.println("main 方法結(jié)束 ...");
}
這樣在執(zhí)行到 object.wait() 之后就一直等待下去，那么程序肯定不能一直這么等待下去了。這個時候就需要使用到了 另外一個方法喚醒的方法 notify() 。
3.2 notify方法
notify 方法就是使停止的線程繼續(xù)運行。
- 1. 方法 notify() 也要在同步方法或同步塊中調(diào)用，該方法是用來通知那些可能等待該對象的對象鎖的其它線程，對 其發(fā)出通知 notify ，并使它們重新獲取該對象的對象鎖。如果有多個線程等待，則有線程規(guī)劃器隨機挑選出一個 呈 wait 狀態(tài)的線程。
- 2. 在 notify() 方法后，當(dāng)前線程不會馬上釋放該對象鎖，要等到執(zhí)行 notify() 方法的線程將程序執(zhí)行完，也就是退出 同步代碼塊之后才會釋放對象鎖。
class MyThread implements Runnable {
private boolean flag;
private Object obj;
public MyThread(boolean flag, Object obj) {
super();
this.flag = flag;
this.obj = obj;
}
public void waitMethod() {
synchronized (obj) {
try {
while (true) {
System.out.println("wait()方法開始.. " +
Thread.currentThread().getName());
obj.wait();
System.out.println("wait()方法結(jié)束.. " +
Thread.currentThread().getName());
return;
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public void notifyMethod() {
synchronized (obj) {
try {
System.out.println("notifyAll()方法開始.. " +
Thread.currentThread().getName());
obj.notifyAll();
System.out.println("notifyAll()方法結(jié)束.. " +
Thread.currentThread().getName());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
@Override
public void run() {
if (flag) {
this.waitMethod();
} else {
this.notifyMethod();
}
}
}
public class TestThread {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object object = new Object();
MyThread waitThread1 = new MyThread(true, object);
MyThread waitThread2 = new MyThread(true, object);
MyThread waitThread3 = new MyThread(true, object);
MyThread notifyThread = new MyThread(false, object);
Thread thread1 = new Thread(waitThread1, "wait線程A");
Thread thread2 = new Thread(waitThread2, "wait線程B");
Thread thread3 = new Thread(waitThread3, "wait線程C");
Thread thread4 = new Thread(notifyThread, "notify線程");
thread1.start();
thread2.start();
thread3.start();
Thread.sleep(1000);
thread4.start();
System.out.println("main方法結(jié)束!!");
}
}
從結(jié)果上來看第一個線程執(zhí)行的是一個 waitMethod 方法，該方法里面有個死循環(huán)并且使用了 wait 方法進入等待狀態(tài) 將釋放鎖，如果這個線程不被喚醒的話將會一直等待下去，這個時候第二個線程執(zhí)行的是 notifyMethod 方法，該方 法里面執(zhí)行了一個喚醒線程的操作，并且一直將 notify 的同步代碼塊執(zhí)行完畢之后才會釋放鎖然后繼續(xù)執(zhí)行 wait 結(jié)束 打印語句。 注意： wait ， notify 必須使用在 synchronized 同步方法或者代碼塊內(nèi)。
3.3 wait和sleep對比（面試?？迹?/h3>
其實理論上 wait 和 sleep 完全是沒有可比性的，因為一個是用于線程之間的通信的，一個是讓線程阻塞一段時間， 唯一的相同點就是都可以讓線程放棄執(zhí)行一段時間。用生活中的例子說的話就是婚禮時會吃糖，和家里自己吃糖之間 有差別。說白了放棄線程執(zhí)行只是 wait 的一小段現(xiàn)象。 當(dāng)然為了面試的目的，我們還是總結(jié)下：
- 1. wait 之前需要請求鎖，而 wait 執(zhí)行時會先釋放鎖，等被喚醒時再重新請求鎖。這個鎖是 wait 對像上的 monitor
- lock
- 2. sleep 是無視鎖的存在的，即之前請求的鎖不會釋放，沒有鎖也不會請求。
- 3. wait 是 Object 的方法
- 4. sleep 是 Thread 的靜態(tài)方法
四：多線程案例
4.1 餓漢模式單線程
class Singleton {
private static Singleton instance = new Singleton();
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
4.2 懶漢模式單線程
class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
4.3 懶漢模式多線程低性能版
class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private Singleton() {}
public synchronized static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
4.4懶漢模式-多線程版-二次判斷-性能高
class Singleton {
private static volatile Singleton instance = null;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
總結(jié)
多線程的部分暫時分享到這里，但其實還有很多沒有沒有涉及 ，等日后深刻理解后再來分享，碼文不易，多謝大家支持，感激不盡！
到此這篇關(guān)于Java多線程之搞定最后一公里詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java 多線程內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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