Java从零开始 基础（五）线程同步和通信

线程同步

• 并发：同一个对象被多个线程同时操作
• 处理并发问题时，多个线程访问同一个对象，并且某些线程海鲜修改这个对象，这个时候就需要线程同步
• 线程同步其实就是一种等待机制，多个需要同时访问此对象的线程进入这个对象的等待池形成队列，等待前面线程使用完毕，下一个线程再使用
• 线程同步 Synchronized：队列 + 锁
  • 队列 Queue：数据结构，先进先出
  • 锁 lock：保证数据安全。线程进来加上锁，执行完之后解锁，解锁后下一个线程进来
• 锁的缺点：影响性能
  • 一个线程持有锁会导致其他所有需要此锁的线程被挂起
  • 加锁/解锁 会导致比较多的上下文切换和调度延时
  • 如果一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁，会导致优先级倒置

不安全试例

没有加锁，线程不安全，会出现同一张票卖给两个不同的人

package com.syn;

public class UnsafeBuyTicket {
    public static void main(String[] args) {
        BuyTicket buyTicket = new BuyTicket();

        new Thread(buyTicket, "Jack").start();
        new Thread(buyTicket, "Tom").start();
        new Thread(buyTicket, "yellow cow").start();
    }
}

class BuyTicket implements Runnable {
    boolean flag = true;  // 停止线程标志位
    int ticket_nums = 0;

    @Override
    public void run() {
        while (flag) {
            try {
                buy();  // 买票
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public void buy() throws InterruptedException {
        if (ticket_nums >= 10) {
            return;
        }
        Thread.sleep(100);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到第 " + ticket_nums++ + " 张票");
    }
}
/*
  yellow cow拿到第 1 张票
  Jack拿到第 3 张票
  Tom拿到第 2 张票
  Tom拿到第 4 张票
  yellow cow拿到第 5 张票
  Jack拿到第 4 张票
  Tom拿到第 6 张票
  yellow cow拿到第 6 张票
  Jack拿到第 7 张票
  Tom拿到第 8 张票
  Jack拿到第 9 张票
  yellow cow拿到第 8 张票
*/

Synchronized 线程锁

• 两种用法：synchronized方法 和 synchronized块

• 同步方法：public synchronized void method(int args){}

  • synchronized方法控制对“对象”的访问，每个对象对应一把锁，每个synchronized方一旦执行，就独占改锁，知道该方法返回残释放锁，后面被阻塞的线程才能获得这个锁，继续执行
  • 缺陷： synchronized 方法会影响效率。所以方法里需要修改内容时才需要锁

• 同步块：synchronized(Obj){}

  • Obj 称之为同步监视器
  • 同步方法中无需指定同步监视器，因为同步方法的同步监视器就是this，就是这个对象本身，或者是class

• 同步监视器的执行过程

  • 第一个线程访问，锁定同步监视器，执行其代码
  • 第二个线程访问，发现同步监视器被锁定，无法访问
  • 第一个线程访问完毕，解锁同步监视器
  • 第二个线程访问，发现同步监视器未锁定，锁定并访问

  package com.syn;
  
  public class SafeBuyTicket {
      public static void main(String[] args) {
          BuyTickets buyTicket = new BuyTickets();
          new Thread(buyTicket, "Jack").start();
          new Thread(buyTicket, "Tom").start();
          new Thread(buyTicket, "yellow cow").start();
      }
  }
  
  class BuyTickets implements Runnable {
      boolean flag = true;  // 停止线程标志位
      int ticket_nums = 1;
  
      @Override
      public void run() {
          while (flag) {
              try {
                  buy();  // 买票
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
          }
      }
  
      // synchronized 同步方法
      public synchronized void buy() throws InterruptedException {
          if (ticket_nums >= 10) {
              return;
          }
          Thread.sleep(100);
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到第 " + ticket_nums++ + " 张票");
      }
  }
  /*
    Jack拿到第 1 张票
    Jack拿到第 2 张票
    Jack拿到第 3 张票
    Jack拿到第 4 张票
    Jack拿到第 5 张票
    Jack拿到第 6 张票
    Jack拿到第 7 张票
    Jack拿到第 8 张票
    Jack拿到第 9 张票
  */
  

死锁

多个线程各自占有一些共享资源，并且互相等待其他线程占有的资源才能运行，二导致两个或者多个线程都在等待对方释放资源，都停止执行的情形。某一个同步块同时拥有“两个以上对象的锁”时，就可能会发生“死锁”的问题。

产生死锁的四个必要条件：

• 互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。
• 请求与保持条件：一个进程因请求资源币阻塞时，对已茶得恣源保持不放。
• 不剥夺条件：进程已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺。
• 循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

package com.syn;

// 死锁：多个线程互相抢占对方需要的资源，形成僵持
public class DeadLock {
    public static void main(String[] args) {
        Makeup m1 = new Makeup(0,"Tom");
        Makeup m2 = new Makeup(1,"Jack");

        m1.start();
        m2.start();
    }
}

// 口红
class Lipstick{}

// 镜子
class Mirror{}

class Makeup extends Thread{
    static Lipstick lipstick = new Lipstick();
    static Mirror mirror = new Mirror();

    int choice;
    String girlName;

    Makeup(int choice, String girlName){
        this.choice = choice;
        this.girlName = girlName;
    }

    @Override
    public void run() {
        // 化妆
        try {
            makeUp();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 化妆，互相持有对方的锁，就是需要拿到对方需要的资源
    private void makeUp() throws InterruptedException {
        if (choice==0){
            synchronized (lipstick){
                System.out.println(this.girlName+" 获得口红的锁");
                Thread.sleep(100);

                synchronized (mirror){  // 100毫秒后想获得镜子
                    System.out.println(this.girlName+" 获得镜子的锁");
                }
            }
        }else {
            synchronized (mirror){
                System.out.println(this.girlName+" 获得镜子的锁");
                Thread.sleep(200);

                synchronized (lipstick){
                    System.out.println(this.girlName+" 获得口红的锁");
                }
            }
        }
    }
}

Lock 锁

• 从JDK 5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制——通过业式定父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门的工具。锁提供了对共享资源的独古访问，每次只能有一个线程对Lock对象加，线程开始访问共享资源之前应先获得Lock对象
• ReentrantLack 类实现了 Lock，它拥有与 sychronized 相同的并区性和内存语义，在实现线程安全的控制中，比较常用的是ReentrantLock（可重入锁），可以显式加锁、释放锁。

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是隐或锁，出了作用域自动释放
• Lock只有代码块锁，synchronized有代码锁和方法锁
• 使用Lock锁，JVM将花费较少的时间来调度线程，性能更好。并且具有好的扩展性（提供更多的子类）
• 优先使用顺序：Lock＞同步代码块(已经进入了方法体，分配了相应资源）＞同步方法（在方法体之外）

package com.syn;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class TestLock {
    public static void main(String[] args) {
        TestLock2 testLock2 = new TestLock2();
        new Thread(testLock2).start();
        new Thread(testLock2).start();
        new Thread(testLock2).start();
    }
}

class TestLock2 implements Runnable {
    int ticket_num = 1;
    // 定义Lock锁
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                lock.lock();  // 加锁
                if (ticket_num <= 10) {
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(ticket_num++);
                } else {
                    break;
                }
            } finally {
                lock.unlock();  // 解锁
            }

        }
    }
}

线程通信

生产者消费者模式

是一个问题，并不是23中设计模式之一

应用场景：

• 假设仓库中只能存放一件产品，生产者将生产出来的产品放入仓库，消赛者将仓库中产品取走消费．
• 如果仓库中没有产品，则生产者将产品放入仓库，否则停止生产并等待，直到仓库中的产品被消费者取走为止．
• 如果仓库中放有产品，则消费者寸以將产品取走消费，否则停止消费并等待，直到仓库中再次放入产品为业．

问题：

• 这是一个线程同步问题，生产者和消费者共享同一个资源，并且生产者和消费者之间相互依赖，互为条件
• 对于生产者，没有生产产品之前，要通知消费者等待．而生产[产品之后，又需要马上通知消费者消费
• 对于消费者，在消费之后，要通知生产者已经结束消费，需要生产新的产品以供消费．
• 在生产者消费者问题中，仅有synchronized是不够的：synchronized 可阻止并发更新同一个其享资源，实现了同步；
  synchronized 不能用来实现不同线程之间的消息传递（通信）

方法：

• wait() 表示线程一直等待，直到其他线程通知，与sleep不同，该方法会释放锁
• wait(long timeout) 指定等待的毫秒数
• notify() 唤醒一个处于等待状态的线程
• notifyAll() 唤醒一个对象上所有调用wait()方法的线程，优先级别高的线程优先调度
• 均是Object类的方法，都只能用在同步方法或同步代码块中使用，否则会抛出：IllegaMonitorStateException

解决方式1：并发协作模型“生产者/ 消费者模式”->管程法

• 生产者：负责生产数据的模块(可能是方法，对象，线程，进程）
• 消费者：负责处理数据的模块（可能是方法，对象，线程，进程)
• 缓冲区：消费者不能直接使用生产者的数据，他们之间有个 缓冲区
• 生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据

解决方式2：并发协作模型“生产者/消费者模式”…>信号灯法

管程法

package com.syn;

// 生产者消费者模型：利用缓冲区解决：管程法
public class TestPC {
    public static void main(String[] args) {
        SynContainer container = new SynContainer();

        new Producer(container).start();
        new Consumer(container).start();
    }
}

// 生产者
class Producer extends Thread {
    SynContainer container;
    public Producer(SynContainer container) {
        this.container = container;
    }

    // 生产
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("生产了" + i + " 只鸡");
            try {
                container.push(new Chicken(i));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

// 消费者
class Consumer extends Thread {
    SynContainer container;
    public Consumer(SynContainer container) {
        this.container = container;
    }
    // 消费
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            try {
                System.out.println("消费了" + container.pop().id + " 只鸡");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

// 产品
class Chicken {
    int id;  // 产品编号

    public Chicken(int id) {
        this.id = id;
    }
}

// 缓冲区
class SynContainer {
    // 需要一个容器大小
    Chicken[] chickens = new Chicken[10];
    int count = 0; // 计数器

    // 生产者放入产品
    public synchronized void push(Chicken chicken) throws InterruptedException {
        // 如果容器满了，就需要等待消费
        if (count == chickens.length) {
            // 通知消费者消费 生产者等待
            this.wait();
        }
        // 如果没有满，就需要丢入产品
        chickens[count] = chicken;
        count++;
        // 通知消费者消费  notifyAll()唤醒一个对象上所有调用wait()方法的线程
        this.notifyAll();
    }

    // 消费者消费产品
    public synchronized Chicken pop() throws InterruptedException {
        // 判断能否消费
        if (count == 0) {
            // 等待生产者生产 消费者等待
            this.wait();
        }
        // 如果可以消费
        count--;
        Chicken chicken = chickens[count];

        // 吃完了 通知生产者生产
        this.notifyAll();
        return chicken;
    }
}

信号灯法

package com.syn;

// 生产者消费者模型：利用标志位解决，信号灯法
public class TestPC {
    public static void main(String[] args) {
        TV tv = new TV();
        new Player(tv).start();
        new Watcher(tv).start();
    }
}

// 生产者 演员
class Player extends Thread{
    TV tv;
    public Player(TV tv){
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            if (i%2==0){
                this.tv.play("快乐大本营播放中");
            }else {
                this.tv.play("抖音，记录美好生活");
            }
        }
    }
}

// 消费者 观众
class Watcher extends Thread{
    TV tv;
    public Watcher(TV tv){
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            tv.watch();
        }
    }
}

// 产品 节目
class TV {
    // 演员表演 观众等待
    // 观众观看 演员等待
    String voice;
    boolean flag;

    // 表演
    public synchronized void play(String voice) {
        if (!flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("演员表演了：" + voice);
        // 通知观众观看
        this.notifyAll();
        this.voice = voice;
        this.flag = !this.flag;
    }

    // 观看
    public synchronized void watch(){
        if (flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("观众观看了：" + voice);
        // 通知演员表演
        this.notifyAll();
        this.flag = !this.flag;
    }
}

线程池

背景：经常创建和销段、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大。

思路：提前创建好多个线程，放入线程涊中，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。类似生活中的公式交通工具。

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

使用：

• JDK 5.0起提体了线程池相关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
  • Future submit(Callablex task)：执行任务，有返回值，一般又来执行Callable
  • void shutdown() 关闭连接池
• Executors：工具类、线程池的工厂类，用于创建升返四太同类型的线程池

package com.syn;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPool {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池 参数为 线程池大小
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);

        // 执行
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());

        // 关闭连接
        service.shutdown();
    }
}

class MyThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

Java从零开始 基础（五）线程同步和通信

原文：https://www.cnblogs.com/bigllxx/p/15154925.html