java中實現執行緒同步的7種方法
同步的方法:
一、同步方法
即有synchronized關鍵字修飾的方法。 由於java的每個物件都有一個內建鎖,當用此關鍵字修飾方法時, 內建鎖會保護整個方法。在呼叫該方法前,需要獲得內建鎖,否則就處於阻塞狀態。 注: synchronized關鍵字也可以修飾靜態方法,此時如果呼叫該靜態方法,將會鎖住整個類。二、同步程式碼塊
即有synchronized關鍵字修飾的語句塊。 被該關鍵字修飾的語句塊會自動被加上內建鎖,從而實現同步 程式碼如:synchronized(object){ }注:同步是一種高開銷的操作,因此應該儘量減少同步的內容。通常沒有必要同步整個方法,使用synchronized程式碼塊同步關鍵程式碼即可。
package com.xhj.thread; /** * 執行緒同步的運用 * * @author XIEHEJUN * */ public class SynchronizedThread { class Bank { private int account = 100; public int getAccount() { return account; } /** * 用同步方法實現 * *@param money */ public synchronized void save(int money) { account += money; } /** * 用同步程式碼塊實現 * * @param money */ public void save1(int money) { synchronized(this) { account += money; } } }
class NewThread implements Runnable { private Bank bank; public NewThread(Bank bank) { this.bank = bank; } @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { // bank.save1(10); bank.save(10); System.out.println(i + "賬戶餘額為:" + bank.getAccount()); } } } /** * 建立執行緒,呼叫內部類 */ public void useThread() { Bank bank = new Bank(); NewThread new_thread = new NewThread(bank); System.out.println("執行緒1"); Thread thread1 = new Thread(new_thread); thread1.start(); System.out.println("執行緒2"); Thread thread2 = new Thread(new_thread); thread2.start(); } public static void main(String[] args) { SynchronizedThread st = new SynchronizedThread(); st.useThread(); } }=====================================
示例加講解
同步是多執行緒中的重要概念。同步的使用可以保證在多執行緒執行的環境中,程式不會產生設計之外的錯誤結果。同步的實現方式有兩種,同步方法和同步塊,這兩種方式都要用到synchronized關鍵字。
同步方法:給一個方法增加synchronized修飾符之後就可以使它成為同步方法,這個方法可以是靜態方法和非靜態方法,但是不能是抽象類的抽象方法,也不能是介面中的介面方法。下面程式碼是一個同步方法的示例:
public synchronized void aMethod() { // do something } public static synchronized void anotherMethod() { // do something }
執行緒在執行同步方法時是具有排它性的。當任意一個執行緒進入到一個物件的任意一個同步方法時,這個物件的所有同步方法都被鎖定了,在此期間,其他任何執行緒都不能訪問這個物件的任意一個同步方法,直到這個執行緒執行完它所呼叫的同步方法並從中退出,從而導致它釋放了該物件的同步鎖之後。在一個物件被某個執行緒鎖定之後,其他執行緒是可以訪問這個物件的所有非同步方法的。
同步塊:同步塊是通過鎖定一個指定的物件,來對同步塊中包含的程式碼進行同步;而同步方法是對這個方法塊裡的程式碼進行同步,而這種情況下鎖定的物件就是同步方法所屬的主體物件自身。如果這個方法是靜態同步方法呢?那麼執行緒鎖定的就不是這個類的物件了,也不是這個類自身,而是這個類對應的java.lang.Class型別的物件。同步方法和同步塊之間的相互制約只限於同一個物件之間,所以靜態同步方法只受它所屬類的其它靜態同步方法的制約,而跟這個類的例項(物件)沒有關係。
如果一個物件既有同步方法,又有同步塊,那麼當其中任意一個同步方法或者同步塊被某個執行緒執行時,這個物件就被鎖定了,其他執行緒無法在此時訪問這個物件的同步方法,也不能執行同步塊。
synchronized 關鍵字用於保護共享資料。請大家注意“共享資料”,你一定要分清哪些資料是共享資料,請看下面的例子:
public class ThreadTest implements Runnable{ public synchronized void run(){ for(int i=0;i<10;i++) { System.out.print(" " + i); } } public static void main(String[] args) { Runnable r1 = new ThreadTest(); //也可寫成ThreadTest r1 = new ThreadTest(); Runnable r2 = new ThreadTest(); Thread t1 = new Thread(r1); Thread t2 = new Thread(r2); t1.start(); t2.start(); }}
在這個程式中,run()雖然被加上了synchronized 關鍵字,但保護的不是共享資料。因為這個程式中的t1,t2 是兩個物件(r1,r2)的執行緒。而不同的物件的資料是不同的,r1,r2 有各自的run()方法,所以輸出結果無法預知。
synchronized的目的是使同一個物件的多個執行緒,在某個時刻只有其中的一個執行緒可以訪問這個物件的synchronized 資料。每個物件都有一個“鎖標誌”,當這個物件的一個執行緒訪問這個物件的某個synchronized 資料時,這個物件的所有被synchronized 修飾的資料將被上鎖(因為“鎖標誌”被當前執行緒拿走了),只有當前執行緒訪問完它要訪問的synchronized 資料時,當前執行緒才會釋放“鎖標誌”,這樣同一個物件的其它執行緒才有機會訪問synchronized 資料。
示例3:
public class ThreadTest implements Runnable{ public synchronized void run(){ for(int i=0;i<10;i++){ System.out.print(" " + i); } } public static void main(String[] args){ Runnable r = new ThreadTest(); Thread t1 = new Thread(r); Thread t2 = new Thread(r); t1.start(); t2.start(); }}
如果你執行1000 次這個程式,它的輸出結果也一定每次都是:0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9。因為這裡的synchronized 保護的是共享資料。t1,t2 是同一個物件(r)的兩個執行緒,當其中的一個執行緒(例如:t1)開始執行run()方法時,由於run()受synchronized保護,所以同一個物件的其他執行緒(t2)無法訪問synchronized 方法(run 方法)。只有當t1執行完後t2 才有機會執行。
示例4:
public class ThreadTest implements Runnable{ public void run(){ synchronized(this){ for(int i=0;i<10;i++){ System.out.print(" " + i); } } } public static void main(String[] args){ Runnable r = new ThreadTest(); Thread t1 = new Thread(r); Thread t2 = new Thread(r); t1.start(); t2.start(); } }
這個程式與示例3 的執行結果一樣。在可能的情況下,應該把保護範圍縮到最小,可以用示例4 的形式,this 代表“這個物件”。沒有必要把整個run()保護起來,run()中的程式碼只有一個for迴圈,所以只要保護for 迴圈就可以了。
示例5:
public class ThreadTest implements Runnable{ public void run(){ for(int k=0;k<5;k++){ System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " : for loop : " + k); } synchronized(this){ for(int k=0;k<5;k++) { System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " : synchronized for loop : " + k); }} } public static void main(String[] args){ Runnable r = new ThreadTest(); Thread t1 = new Thread(r,"t1_name"); Thread t2 = new Thread(r,"t2_name"); t1.start(); t2.start(); } }
執行結果:
t1_name : for loop : 0
t1_name : for loop : 1
t1_name : for loop : 2
t2_name : for loop : 0
t1_name : for loop : 3
t2_name : for loop : 1
t1_name : for loop : 4
t2_name : for loop : 2
t1_name : synchronized for loop : 0
t2_name : for loop : 3
t1_name : synchronized for loop : 1
t2_name : for loop : 4
t1_name : synchronized for loop : 2
t1_name : synchronized for loop : 3
t1_name : synchronized for loop : 4
t2_name : synchronized for loop : 0
t2_name : synchronized for loop : 1
t2_name : synchronized for loop : 2
t2_name : synchronized for loop : 3
t2_name : synchronized for loop : 4
第一個for 迴圈沒有受synchronized 保護。對於第一個for 迴圈,t1,t2 可以同時訪問。執行結果表明t1 執行到了k=2 時,t2 開始執行了。t1 首先執行完了第一個for 迴圈,此時t2還沒有執行完第一個for 迴圈(t2 剛執行到k=2)。t1 開始執行第二個for 迴圈,當t1的第二個for 迴圈執行到k=1 時,t2 的第一個for 迴圈執行完了。t2 想開始執行第二個for 迴圈,但由於t1 首先執行了第二個for 迴圈,這個物件的鎖標誌自然在t1 手中(synchronized 方法的執行權也就落到了t1 手中),在t1 沒執行完第二個for 迴圈的時候,它是不會釋放鎖標誌的。所以t2 必須等到t1 執行完第二個for 迴圈後,它才可以執行第二個for 迴圈。
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三、wait與notify
wait():使一個執行緒處於等待狀態,並且釋放所持有的物件的lock。
sleep():使一個正在執行的執行緒處於睡眠狀態,是一個靜態方法,呼叫此方法要捕捉InterruptedException異常。
notify():喚醒一個處於等待狀態的執行緒,注意的是在呼叫此方法的時候,並不能確切的喚醒某一個等待狀態的執行緒,而是由JVM確定喚醒哪個執行緒,而且不是按優先順序。
Allnotity():喚醒所有處入等待狀態的執行緒,注意並不是給所有喚醒執行緒一個物件的鎖,而是讓它們競爭。
四、使用特殊域變數(volatile)實現執行緒同步
a.volatile關鍵字為域變數的訪問提供了一種免鎖機制 b.使用volatile修飾域相當於告訴虛擬機器該域可能會被其他執行緒更新 c.因此每次使用該域就要重新計算,而不是使用暫存器中的值 d.volatile不會提供任何原子操作,它也不能用來修飾final型別的變數 例如: 在上面的例子當中,只需在account前面加上volatile修飾,即可實現執行緒同步。 程式碼例項://只給出要修改的程式碼,其餘程式碼與上同 class Bank { //需要同步的變數加上volatile private volatile int account = 100; public int getAccount() { return account; } //這裡不再需要synchronized public void save(int money) { account += money; } }注:多執行緒中的非同步問題主要出現在對域的讀寫上,如果讓域自身避免這個問題,則就不需要修改操作該域的方法。 用final域,有鎖保護的域和volatile域可以避免非同步的問題。
五、使用重入鎖實現執行緒同步
在JavaSE5.0中新增了一個java.util.concurrent包來支援同步。 ReentrantLock類是可重入、互斥、實現了Lock介面的鎖,它與使用synchronized方法和快具有相同的基本行為和語義,並且擴充套件了其能力。 ReenreantLock類的常用方法有:ReentrantLock() : 建立一個ReentrantLock例項
lock() : 獲得鎖
unlock() : 釋放鎖
注:ReentrantLock()還有一個可以建立公平鎖的構造方法,但由於能大幅度降低程式執行效率,不推薦使用
例如:
在上面例子的基礎上,改寫後的程式碼為:
//只給出要修改的程式碼,其餘程式碼與上同 class Bank { private int account = 100; //需要宣告這個鎖 private Lock lock = new ReentrantLock(); public int getAccount() { return account; } //這裡不再需要synchronized public void save(int money) { lock.lock(); try{ account += money; }finally{ lock.unlock(); } } }注:關於Lock物件和synchronized關鍵字的選擇: a.最好兩個都不用,使用一種java.util.concurrent包提供的機制,能夠幫助使用者處理所有與鎖相關的程式碼。 b.如果synchronized關鍵字能滿足使用者的需求,就用synchronized,因為它能簡化程式碼 c.如果需要更高階的功能,就用ReentrantLock類,此時要注意及時釋放鎖,否則會出現死鎖,通常在finally程式碼釋放鎖
六、使用區域性變數實現執行緒同步
如果使用ThreadLocal管理變數,則每一個使用該變數的執行緒都獲得該變數的副本,副本之間相互獨立,這樣每一個執行緒都可以隨意修改自己的變數副本,而不會對其他執行緒產生影響。 ThreadLocal 類的常用方法ThreadLocal() : 建立一個執行緒本地變數 get() : 返回此執行緒區域性變數的當前執行緒副本中的值 initialValue() : 返回此執行緒區域性變數的當前執行緒的"初始值" set(T value) : 將此執行緒區域性變數的當前執行緒副本中的值設定為value例如: 在上面例子基礎上,修改後的程式碼為:
//只改Bank類,其餘程式碼與上同 public class Bank{ //使用ThreadLocal類管理共享變數account private static ThreadLocal<Integer> account = new ThreadLocal<Integer>(){ @Override protected Integer initialValue(){ return 100; } }; public void save(int money){ account.set(account.get()+money); } public int getAccount(){ return account.get(); } }注:ThreadLocal與同步機制 a.ThreadLocal與同步機制都是為了解決多執行緒中相同變數的訪問衝突問題。 b.前者採用以"空間換時間"的方法,後者採用以"時間換空間"的方式
七、使用阻塞佇列實現執行緒同步
前面5種同步方式都是在底層實現的執行緒同步,但是我們在實際開發當中,應當儘量遠離底層結構。 使用javaSE5.0版本中新增的java.util.concurrent包將有助於簡化開發。 本小節主要是使用LinkedBlockingQueue<E>來實現執行緒的同步 LinkedBlockingQueue<E>是一個基於已連線節點的,範圍任意的blocking queue。 佇列是先進先出的順序(FIFO),關於佇列以後會詳細講解~LinkedBlockingQueue 類常用方法 LinkedBlockingQueue() : 建立一個容量為Integer.MAX_VALUE的LinkedBlockingQueue put(E e) : 在隊尾新增一個元素,如果佇列滿則阻塞 size() : 返回佇列中的元素個數 take() : 移除並返回隊頭元素,如果佇列空則阻塞程式碼例項: 實現商家生產商品和買賣商品的同步
注:BlockingQueue<E>定義了阻塞佇列的常用方法,尤其是三種新增元素的方法,我們要多加註意,當佇列滿時:
add()方法會丟擲異常
offer()方法返回false
put()方法會阻塞
7.使用原子變數實現執行緒同步
需要使用執行緒同步的根本原因在於對普通變數的操作不是原子的。
那麼什麼是原子操作呢?原子操作就是指將讀取變數值、修改變數值、儲存變數值看成一個整體來操作即-這幾種行為要麼同時完成,要麼都不完成。在java的util.concurrent.atomic包中提供了建立了原子型別變數的工具類,使用該類可以簡化執行緒同步。其中AtomicInteger 表可以用原子方式更新int的值,可用在應用程式中(如以原子方式增加的計數器),但不能用於替換Integer;可擴充套件Number,允許那些處理機遇數字類的工具和實用工具進行統一訪問。
AtomicInteger類常用方法:
AtomicInteger(int initialValue) : 建立具有給定初始值的新的
AtomicIntegeraddAddGet(int dalta) : 以原子方式將給定值與當前值相加
get() : 獲取當前值
程式碼例項:
只改Bank類,其餘程式碼與上面第一個例子同
class Bank { private AtomicInteger account = new AtomicInteger(100); public AtomicInteger getAccount() { return account; } public void save(int money) { account.addAndGet(money); } }
補充--原子操作主要有:
對於引用變數和大多數原始變數(long和double除外)的讀寫操作;
對於所有使用volatile修飾的變數(包括long和double)的讀寫操作。
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