Java實現多執行緒同步五種方法詳解

阿新 • • 發佈：2020-03-25

一、為什麼要執行緒同步

因為當我們有多個執行緒要同時訪問一個變數或物件時，如果這些執行緒中既有讀又有寫操作時，就會導致變數值或物件的狀態出現混亂，從而導致程式異常。舉個例子，如果一個銀行賬戶同時被兩個執行緒操作，一個取100塊，一個存錢100塊。假設賬戶原本有0塊，如果取錢執行緒和存錢執行緒同時發生，會出現什麼結果呢？取錢不成功，賬戶餘額是100.取錢成功了，賬戶餘額是0.那到底是哪個呢？很難說清楚。因此多執行緒同步就是要解決這個問題。

二、不同步時的程式碼

Bank.java

package threadTest; 

/** 
 * @author lixiaoxi 
 * 
 */ 
public class Bank { 

  private int count =0;//賬戶餘額 

  //存錢 
  public void addMoney(int money){ 
    count +=money; 
    System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存進："+money); 
  } 

  //取錢 
  public void subMoney(int money){ 
    if(count-money < 0){ 
      System.out.println("餘額不足"); 
      return; 
    } 
    count -=money; 
    System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money); 
  } 

  //查詢 
  public void lookMoney(){ 
    System.out.println("賬戶餘額："+count); 
  } 
}

SyncThreadTest.java

package threadTest; 

public class SyncThreadTest { 

  public static void main(String args[]){ 
    final Bank bank=new Bank(); 

    Thread tadd=new Thread(new Runnable() { 

      @Override 
      public void run() { 
        // TODO Auto-generated method stub 
        while(true){ 
          try { 
            Thread.sleep(1000); 
          } catch (InterruptedException e) { 
            // TODO Auto-generated catch block 
            e.printStackTrace(); 
          } 
          bank.addMoney(100); 
          bank.lookMoney(); 
          System.out.println("\n"); 

        } 
      } 
    }); 

    Thread tsub = new Thread(new Runnable() { 

      @Override 
      public void run() { 
        // TODO Auto-generated method stub 
        while(true){ 
          bank.subMoney(100); 
          bank.lookMoney(); 
          System.out.println("\n"); 
          try { 
            Thread.sleep(1000); 
          } catch (InterruptedException e) { 
            // TODO Auto-generated catch block 
            e.printStackTrace(); 
          }   
        } 
      } 
    }); 
    tsub.start(); 

    tadd.start(); 
  } 

}

程式碼很簡單，我就不解釋了，看看執行結果怎樣呢？截取了其中的一部分，是不是很亂，有些看不懂。

餘額不足 
賬戶餘額：0 

餘額不足 
賬戶餘額：100 

1441790503354存進：100 
賬戶餘額：100 

1441790504354存進：100 
賬戶餘額：100 

1441790504354取出：100 
賬戶餘額：100 

1441790505355存進：100 
賬戶餘額：100 

1441790505355取出：100 
賬戶餘額：100

三、使用同步時的程式碼

1、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。

修改後的Bank.java

/** 
 * @author lixiaoxi
 * 
 */ 
public class Bank { 

  private int count =0;//賬戶餘額 

  //存錢 
  public synchronized void addMoney(int money){ 
    count +=money; 
    System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存進："+money); 
  } 

  //取錢 
  public synchronized void subMoney(int money){ 
    if(count-money < 0){ 
      System.out.println("餘額不足"); 
      return; 
    } 
    count -=money; 
    System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money); 
  } 

  //查詢 
  public void lookMoney(){ 
    System.out.println("賬戶餘額："+count); 
  } 
}

再看看執行結果：

餘額不足 
賬戶餘額：0 

餘額不足 
賬戶餘額：0 

1441790837380存進：100 
賬戶餘額：100 

1441790838380取出：100 
賬戶餘額：0 

1441790838380存進：100 
賬戶餘額：100 

1441790839381取出：100 
賬戶餘額：0

瞬間感覺可以理解了吧。

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。

2、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。

Bank.java程式碼如下：

package threadTest; 

package threadTest; 

/** 
 * @author lixiaoxi 
 * 
 */ 
public class Bank { 

  private int count =0;//賬戶餘額 

  //存錢 
  public void addMoney(int money){ 

    synchronized (this) { 
      count +=money; 
    } 
    System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存進："+money); 
  } 

  //取錢 
  public void subMoney(int money){ 

    synchronized (this) { 
      if(count-money < 0){ 
        System.out.println("餘額不足"); 
        return; 
      } 
      count -=money; 
    } 
    System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money); 
  } 

  //查詢 
  public void lookMoney(){ 
    System.out.println("賬戶餘額："+count); 
  } 
}

執行結果如下：

餘額不足 
賬戶餘額：0 

1441791806699存進：100 
賬戶餘額：100 

1441791806700取出：100 
賬戶餘額：0 

1441791807699存進：100 
賬戶餘額：100

效果和方法一差不多。

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。

3、使用特殊域變數(volatile)實現執行緒同步

（1）volatile關鍵字為域變數的訪問提供了一種免鎖機制；

（2）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；

（3）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；

（4）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。

Bank.java程式碼如下：

package threadTest; 

/** 
 * @author lixiaoxi 
 * 
 */ 
public class Bank { 

  private volatile int count = 0;// 賬戶餘額 

  // 存錢 
  public void addMoney(int money) { 

    count += money; 
    System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存進：" + money); 
  } 

  // 取錢 
  public void subMoney(int money) { 

    if (count - money < 0) { 
      System.out.println("餘額不足"); 
      return; 
    } 
    count -= money; 
    System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money); 
  } 

  // 查詢 
  public void lookMoney() { 
    System.out.println("賬戶餘額：" + count); 
  } 
}

執行效果怎樣呢？

餘額不足 
賬戶餘額：0 

餘額不足 
賬戶餘額：100 

1441792010959存進：100 
賬戶餘額：100 

1441792011960取出：100 
賬戶餘額：0 

1441792011961存進：100 
賬戶餘額：100

是不是又看不懂了，又亂了。這是為什麼呢？就是因為volatile不能保證原子操作導致的，因此volatile不能代替synchronized。此外volatile會組織編譯器對程式碼優化，因此能不使用它就不使用它吧。它的原理是每次要執行緒要訪問volatile修飾的變數時都是從記憶體中讀取，而不是從快取當中讀取，因此每個執行緒訪問到的變數值都是一樣的。這樣就保證了同步。

4、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方法和塊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。

Bank.java程式碼修改如下：

package threadTest; 

import java.util.concurrent.locks.Lock; 
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; 

/** 
 * @author lixiaoxi 
 * 
 */ 
public class Bank { 

  private int count = 0;// 賬戶餘額 

  //需要宣告這個鎖 
  private Lock lock = new ReentrantLock(); 

  // 存錢 
  public void addMoney(int money) { 
    lock.lock();//上鎖 
    try{ 
    count += money; 
    System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存進：" + money); 

    }finally{ 
      lock.unlock();//解鎖 
    } 
  } 

  // 取錢 
  public void subMoney(int money) { 
    lock.lock(); 
    try{ 

    if (count - money < 0) { 
      System.out.println("餘額不足"); 
      return; 
    } 
    count -= money; 
    System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money); 
    }finally{ 
      lock.unlock(); 
    } 
  } 

  // 查詢 
  public void lookMoney() { 
    System.out.println("賬戶餘額：" + count); 
  } 
}

執行效果怎樣呢？

餘額不足 
賬戶餘額：0 

餘額不足 
賬戶餘額：0 

1441792891934存進：100 
賬戶餘額：100 

1441792892935存進：100 
賬戶餘額：200 

1441792892954取出：100 
賬戶餘額：100

效果和前兩種方法差不多。

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。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。

5、使用區域性變數實現執行緒同步

Bank.java程式碼如下：

package com.demo.test;

/** 
 * @author lixiaoxi
 * 
 */ 
public class Bank {
  
  private static ThreadLocal<Integer> count = new ThreadLocal<Integer>(){ 

    @Override 
    protected Integer initialValue() { 
      // TODO Auto-generated method stub 
      return 0; 
    } 

  }; 

  // 存錢 
  public void addMoney(int money) { 
    count.set(count.get()+money); 
    System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存進：" + money); 

  } 

  // 取錢 
  public void subMoney(int money) { 
    if (count.get() - money < 0) { 
      System.out.println("餘額不足"); 
      return; 
    } 
    count.set(count.get()- money); 
    System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money); 
  } 

  // 查詢 
  public void lookMoney() { 
    System.out.println("賬戶餘額：" + count.get()); 
  }   
}

執行效果：

餘額不足
賬戶餘額：0

1511166594460存進：100
賬戶餘額：200

餘額不足
賬戶餘額：0

1511166595460存進：100
賬戶餘額：300

餘額不足
賬戶餘額：0

1511166596460存進：100
賬戶餘額：400

看了執行效果，一開始一頭霧水，怎麼只讓存，不讓取啊？看看ThreadLocal的原理：

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。現在明白了吧，原來每個執行緒執行的都是一個副本，也就是說存錢和取錢是兩個賬戶，只是名字相同而已。所以就會發生上面的效果。

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。

以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支援我們。

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