Java多執行緒之執行緒同步方法：synchronized與Lock
一、什麼是執行緒同步？
多個執行緒操作同一個資源,即併發問題： 同一個物件被多個執行緒
同時操作
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多個執行緒訪問同一個物件，某些執行緒還想修改物件的值，這時候會出現執行緒不安全的問題
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執行緒同步是一種等待機制，即 多個需要同時訪問此物件的執行緒進入物件的等待池 形成佇列，等待前面執行緒使用完畢，下一個執行緒再使用
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形成條件： 佇列 + 鎖
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同一程序的多個執行緒共享同一塊儲存空間，方便之餘也帶來了訪問衝突問題
因此，為了保證資料在方法中被訪問時的正確性，在訪問時加入鎖機制 synchronized，當一個執行緒獲得物件的排他鎖，獨佔資源，其他執行緒必須等待，使用後釋放鎖。
- 存在問題：
- 一個執行緒持有鎖會導致其他所有需要此鎖的執行緒掛起
- 多執行緒競爭下，加鎖、釋放鎖會導致較多的上下文切換 和排程延時，引起效能問題
- 如果一個優先順序高的執行緒等待一個優先順序低的執行緒釋放鎖，會導致優先順序倒置，引起效能問題
- 存在問題：
二、同步方法
- synchronized 關鍵字
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由於我們可以通過private關鍵字保證資料物件只能被方法訪問，所以我們只需要針對方法提出一套機制，即 synchronized關鍵字，包括兩種用法：
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- synchronized方法
- synchronized塊
public synchronized void method(int args){ // 同步方法 } -
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synchronized 方法控制對 “物件”的訪問，每個物件對應一把鎖
，每個synchronized 方法都必須獲取呼叫該方法的鎖才能執行，否則執行緒會阻塞；方法一旦執行，就獨佔該鎖，直到該方法返回才釋放鎖，後面被阻塞的執行緒才能獲得這個鎖，繼續執行 -
synchronized 鎖的是執行緒的共享資源 / 臨界資源
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缺陷：
- 如果將一個大的方法宣告為synchronized 將會影響效率
- 方法裡面需要修改的內容才需要鎖，鎖的太多反而浪費資源
同步塊
- 同步塊：synchronized(Obj){ }
- Obj稱之為 同步監視器
- Obj可以是任何物件，但是推薦使用共享資源作為同步監視器
- 同步方法中無需指定同步監視器，默認同步監視器為this，也就是物件本身，或者是class
- 同步監視器的執行過程
- 第一個執行緒訪問：鎖定同步監視器，執行其中程式碼
- 第二個執行緒訪問，發現同步監視器被鎖定，無法訪問
- 第一個執行緒訪問完畢，解鎖同步監視器
- 第二個執行緒訪問，發現同步監視器沒有鎖，則鎖定並訪問
- .....
補充知識：
JUC: java.util.concurrent 即併發程式設計
CopyOnWriteArrayList: util.concurrent包下的安全型別集合 可保證執行緒安全，實現執行緒同步的功能！
public static void main(String[] args) {
CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>(); // <> 裡面包含的是 泛型
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
new Thread(()->{
list.add(Thread.currentThread().getName());
}).start();
}
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(list.size());
}
死鎖
- 多個執行緒各自佔有一些資源，並且互相等待其他執行緒佔有的資源才能執行，而導致兩個或多個執行緒都在等待對方釋放資源並停止執行；
- 某一個同步塊同時“擁有兩個以上物件的鎖”時，就可能發生“死鎖”
死鎖避免方法
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產生死鎖的四個必要條件：
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- 互斥條件：一個資源每次只能被一個程序使用
- 請求保持條件：一個程序因請求資源而阻塞時，對已經獲得的資源保持不放
- 不剝奪條件：程序已獲得的資源，在未使用完之前，不能強行剝奪
- 迴圈等待條件：若干程序之間形成一種頭尾相接的迴圈等待資源關係
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只要想辦法打破其中任意一個或多個條件，即可避免死鎖發生
- Lock(鎖)
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從JDK5.0開始，Java提供了更強大的執行緒同步機制——顯式定義同步鎖來實現同步
同步鎖使用Lock物件來充當
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java.util.concurrent.locks Lock介面是控制多個執行緒對共享資源進行訪問的工具，鎖提供了對共享資源的獨佔訪問，每次只有一個執行緒對Lock物件加鎖。執行緒開始訪問共享資源之前應先獲得Lock物件
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ReentrantLock 類實現了Lock(可重入鎖)，擁有與synchronized相同的併發性和記憶體語義，在實現執行緒安全的控制中，比較常用ReentrantLock,可以顯式加鎖、釋放鎖
synchronized 與 Lock 的對比
- Lock是顯式鎖（需手動開啟和關閉鎖） synchronized 是隱式鎖，出了作用域自動釋放
- Lock只有程式碼塊鎖 synchronized 有程式碼塊鎖 + 方法鎖
- 使用Lock鎖，JVM將花費較少時間來排程執行緒 = > 效能更好 + 可拓展性強（提供更多子類）
- 優先使用順序：
- Lock > 同步程式碼塊（在方法體中，分配了相應資源）> 同步方法（線上程[run()]方法體之外）
class A{
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
@Override
public void run() {
while (true) {
// 將延時放在加鎖之前
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
try {
lock.lock();// 加鎖
// 需要保證執行緒安全的程式碼塊
if (ticketNum > 0) {
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 拿到了 "+ ticketNum--);
}else{
break;
}
} finally {
lock.unlock(); // 解鎖
}
}
}
}
執行緒協作 重點！
- 生產者（Producer）- 消費者(Consumer)問題
- 執行緒同步問題 生產者消費者共享同一個資源
- 生產者和消費者之間相互依賴，互為條件
- 在生產者-消費者問題中，僅有synchronized是不夠的
- synchronized可阻止併發更新同一個共享資源，實現同步
- synchronized不能用來實現不同執行緒之間的訊息傳遞（通訊）
- 讀(Read)寫(Write)問題
- 理髮師理髮問題
三、執行緒通訊
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Java提供了幾個方法用於執行緒通訊
- wait() — 執行緒一直等待，知道其他執行緒同志，與sleep不同，wait()會釋放鎖
- wait() — 指定等待的毫秒數
- notify() — 喚醒一個處於等待狀態的執行緒
- notifyAll() — 喚醒同一個物件上所有呼叫了wait() 方法的執行緒，優先級別高的執行緒優先排程
注意：以上方法均為Object類的方法，都只能在同步方法中或者同步程式碼塊中使用，否則會丟擲異常IllegalMonitorStateException
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