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线程同步

佳哥V587
 佳哥V587
发布于 2017/01/19 09:19
字数 4434
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12、线程同步

当多个线程访问同一个数据时,非常容易出现线程安全问题。这时候就需要用线程同步

Case:银行取钱问题,有以下步骤:

A、用户输入账户、密码,系统判断是否登录成功

B、用户输入取款金额

C、系统判断取款金额是否大于现有金额

D、如果金额大于取款金额,就成功,否则提示小于余额

 

现在模拟2个人同时对一个账户取款,多线程操作就会出现问题。这时候需要同步才行;

同步代码块:

synchronized (object) {

//同步代码

}

Java多线程支持方法同步,方法同步只需用用synchronized来修饰方法即可,那么这个方法就是同步方法了。

对于同步方法而言,无需显示指定同步监视器,同步方法监视器就是本身this

同步方法:

public synchronized void editByThread() {

//doSomething

}

 

需要用同步方法的类具有以下特征:

A、该类的对象可以被多个线程访问

B、每个线程调用对象的任意都可以正常的结束,返回正常结果

C、每个线程调用对象的任意方法后,该对象状态保持合理状态

不可变类总是线程安全的,因为它的对象状态是不可改变的,但可变类对象需要额外的方法来保证线程安全。

例如Account就是一个可变类,它的money就是可变的,当2个线程同时修改money时,程序就会出现异常或错误。

所以要对Account设置为线程安全的,那么就需要用到同步synchronized关键字。

 

 

下面的方法用synchronized同步关键字修饰,那么这个方法就是一个同步的方法。这样就只能有一个线程可以访问这个方法,

在当前线程调用这个方法时,此方法是被锁状态,同步监视器是this。只有当此方法修改完毕后其他线程才能调用此方法。

这样就可以保证线程的安全,处理多线程并发取钱的的安全问题。

public synchronized void drawMoney(double money) {

//取钱操作

}

注意:synchronized可以修饰方法、代码块,但不能修饰属性、构造方法

 

可变类的线程安全是以降低程序的运行效率为代价,为了减少线程安全所带来的负面影响,可以采用以下策略:

A、不要对线程安全类的所有方法都采用同步模式,只对那些会改变竞争资源(共享资源)的方法进行同步。

B、如果可变类有2中运行环境:单线程环境和多线程环境,则应该为该可变提供2种版本;线程安全的和非线程安全的版本。

在单线程下采用非线程安全的提高运行效率保证性能,在多线程环境下采用线程安全的控制安全性问题。

 

释放同步监视器的锁定

任何线程进入同步代码块、同步方法之前,必须先获得对同步监视器的锁定,那么何时会释放对同步监视器锁定?

程序无法显示的释放对同步监视器的锁定,线程可以通过以下方式释放锁定:

A、当线程的同步方法、同步代码库执行结束,就可以释放同步监视器

B、当线程在同步代码库、方法中遇到break、return终止代码的运行,也可释放

C、当线程在同步代码库、同步方法中遇到未处理的Error、Exception,导致该代码结束也可释放同步监视器

D、当线程在同步代码库、同步方法中,程序执行了同步监视器对象的wait方法,导致方法暂停,释放同步监视器

 

下面情况不会释放同步监视器:

A、当线程在执行同步代码库、同步方法时,程序调用了Thread.sleep()/Thread.yield()方法来暂停当前程序,当前程序不会释放同步监视器

B、当线程在执行同步代码库、同步方法时,其他线程调用了该线程的suspend方法将该线程挂起,该线程不会释放同步监视器。注意尽量避免使用suspend、resume

 

同步锁(Lock)

通常认为:Lock提供了比synchronized方法和synchronized代码块更广泛的锁定操作,Lock更灵活的结构,有很大的差别,并且可以支持多个Condition对象

Lock是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。通常,锁提供了对共享资源的独占访问,每次只能有一个线程对Lock对象加锁,

线程开始访问共享资源之前应先获得Lock对象。不过某些锁支持共享资源的并发访问,如:ReadWriteLock(读写锁),在线程安全控制中,

通常使用ReentrantLock(可重入锁)。使用该Lock对象可以显示加锁、释放锁。

 

class C {

//锁对象

private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

......

//保证线程安全方法

public void method() {

//上锁

lock.lock();

try {

//保证线程安全操作代码

} catch() {

 

} finally {

lock.unlock();//释放锁

}

}

}

使用Lock对象进行同步时,锁定和释放锁时注意把释放锁放在finally中保证一定能够执行。

 

使用锁和使用同步很类似,只是使用Lock时显示的调用lock方法来同步。而使用同步方法synchronized时系统会隐式使用当前对象作为同步监视器,

同样都是“加锁->访问->释放锁”的操作模式,都可以保证只能有一个线程操作资源。

同步方法和同步代码块使用与竞争资源相关的、隐式的同步监视器,并且强制要求加锁和释放锁要出现在一个块结构中,而且获得多个锁时,

它们必须以相反的顺序释放,且必须在与所有锁被获取时相同的范围内释放所有资源。

Lock提供了同步方法和同步代码库没有的其他功能,包括用于非块结构的tryLock方法,已经试图获取可中断锁lockInterruptibly()方法,

还有获取超时失效锁的tryLock(long, timeUnit)方法。

ReentrantLock具有重入性,也就是说线程可以对它已经加锁的ReentrantLock再次加锁,ReentrantLock对象会维持一个计数器来追踪lock方法的嵌套调用,

线程在每次调用lock()加锁后,必须显示的调用unlock()来释放锁,所以一段被保护的代码可以调用另一个被相同锁保护的方法。

 

死锁

当2个线程相互等待对方是否同步监视器时就会发生死锁,JVM没有采取处理死锁的措施,这需要我们自己处理或避免死锁。

一旦死锁,整个程序既不会出现异常,也不会出现错误和提示,只是线程将处于阻塞状态,无法继续。

主线程保持对Foo的锁定,等待对Bar对象加锁,而副线程却对Bar对象保持锁定,等待对Foo加锁2条线程相互等待对方先释放锁,进入死锁状态。

由于Thread类的suspend也很容易导致死锁,所以Java不推荐使用此方法暂停线程。

 

13、线程通信

(1)、线程的协调运行

场景:用2个线程,这2个线程分别代表存款和取款。——现在系统要求存款者和取款者不断重复的存款和取款的动作,

而且每当存款者将钱存入账户后,取款者立即取出这笔钱。不允许2次连续存款、2次连续取款。

实现上述场景需要用到Object类,提供的wait、notify和notifyAll三个方法,这3个方法并不属于Thread类。但这3个方法必须由同步监视器调用,可分为2种情况:

A、对于使用synchronized修饰的同步方法,因为该类的默认实例this就是同步监视器,所以可以在同步中直接调用这3个方法。

B、对于使用synchronized修改的同步代码块,同步监视器是synchronized后可括号中的对象,所以必须使用括号中的对象调用这3个方法

方法概述:

一、wait方法:导致当前线程进入等待,直到其他线程调用该同步监视器的notify方法或notifyAll方法来唤醒该线程。

wait方法有3中形式:无参数的wait方法,会一直等待,直到其他线程通知;带毫秒参数的wait和微妙参数的wait,

这2种形式都是等待时间到达后苏醒。调用wait方法的当前线程会释放对该对象同步监视器的锁定。

二、notify:唤醒在此同步监视器上等待的单个线程。如果所有线程都在此同步监视器上等待,则会随机选择唤醒其中一个线程。

只有当前线程放弃对该同步监视器的锁定后(用wait方法),才可以执行被唤醒的线程。

三、notifyAll:唤醒在此同步监视器上等待的所有线程。只有当前线程放弃对该同步监视器的锁定后,才能执行唤醒的线程。

(2)、条件变量控制协调

如果程序不使用synchronized关键字来保证同步,而是直接使用Lock对象来保证同步,则系统中不存在隐式的同步监视器对象,

也不能使用wait、notify、notifyAll方法来协调进程的运行。

当使用Lock对象同步,Java提供一个Condition类来保持协调,使用Condition可以让那些已经得到Lock对象却无法组合使用,

为每个对象提供了多个等待集(wait-set),这种情况下,Lock替代了同步方法和同步代码块,Condition替代同步监视器的功能。

Condition实例实质上被绑定在一个Lock对象上,要获得特定的Lock实例的Condition实例,调用Lock对象的newCondition即可。

Condition类方法介绍:

一、await:类似于隐式同步监视器上的wait方法,导致当前程序等待,直到其他线程调用Condition的signal方法和signalAll方法来唤醒该线程。

该await方法有跟多获取变体:long awaitNanos(long nanosTimeout),void awaitUninterruptibly()、awaitUntil(Date daadline)

二、signal:唤醒在此Lock对象上等待的单个线程,如果所有的线程都在该Lock对象上等待,则会选择随机唤醒其中一个线程。

只有当前线程放弃对该Lock对象的锁定后,使用await方法,才可以唤醒在执行的线程。

三、signalAll:唤醒在此Lock对象上等待的所有线程。只有当前线程放弃对该Lock对象的锁定后,才可以执行被唤醒的线程。

 

(3)、使用管道流

线程通信使用管道流,管道流有3种形式:

PipedInputStream、PipedOutputStream、PipedReader和PipedWriter以及Pipe.SinkChannel和Pipe.SourceChannel,

它们分别是管道流的字节流、管道字符流和新IO的管道Channel。

管道流通信基本步骤:

A、使用new操作法来创建管道输入、输出流

B、使用管道输入流、输出流的connect方法把2个输入、输出流连接起来

C、将管道输入、输出流分别传入2个线程

D、2个线程可以分别依赖各自的管道输入流、管道输出流进行通信

 

14、线程组和未处理异常

ThreadGroup表示线程组,它可以表示一批线程进行分类管理,Java允许程序对

Java允许直接对线程组控制,对线程组控制相对于同时控制这批线程。用户创建的所有线程都属于指定的线程组。

如果程序没有值得线程属于哪个组,那这个线程就属于默认线程组。在默认情况下,子线程和创建它父线程属于同一组。

一旦某个线程加入了指定线程组之后,该线程将属于该线程组,直到该线程死亡,线程运行中途不能改变它所属的线程组。

Thread类提供一些构造设置线程所属的哪个组,具有以下方法:

A、Thread(ThreadGroup group, Runnable target):target的run方法作为线程执行体创建新线程,属于group线程组

B、Thread(ThreadGroup group, Runnalbe target, String name):target的run方法作为线程执行体创建的新线程,该线程属于group线程组,且线程名为name

C、Thread(ThreadGroup group, String name):创建新线程,新线程名为name,属于group组

 

因为中途不能改变线程所属的组,所以Thread提供ThreadGroup的setter方法,但提供了getThreadGroup方法来返回该线程所属的线程组,

getThreadGroup方法的返回值是ThreadGroup对象的表示,表示一个线程组。

ThreadGroup有2个构造形式:

A、ThreadGroup(String name):name线程组的名称

B、ThreadGroup(ThreadGroup parent, String name):指定名称、指定父线程组创建的一个新线程组

 

上面的构造都指定线程名称,也就是线程组都必须有自己的一个名称,可以通过调用ThreadGroup的getName方法得到,

但不允许中途改变名称。ThreadGroup有以下常用的方法:

A、activeCount:返回线程组活动线程数目

B、interrupt:中断此线程组中的所有线程

C、isDeamon:判断该线程是否在后台运行

D、setDeamon:把该线程组设置为后台线程组,后台线程具有一个特征,当后台线程的最后一个线程执行结束或最后一个线程被销毁,后台线程组自动销毁。

E、setMaxPriority:设置线程组最高优先级

uncaughtException(Thread t, Throwable e)该方法可以处理该线程组内的线程所抛出的未处理的异常,

Thread.UncaughtExceptionHandler是Thread类的一个内部公共静态接口,

该接口内只有一个方法:void uncaughtException(Thread t, Throwable e) 该方法中的t代表出现异常的线程,而e代表该线程抛出的异常

 

Thread类中提供2个方法来设置异常处理器:

A、staticsetDefaultUnaughtExceptionHandler(Thread.UncaughtExceptionHandler eh):为该线程类的所有线程实例设置默认的异常处理器

B、setUncaughtExceptionHandler(Thread.UncaughtExceptionHander eh):为指导线程实例设置异常处理器

 

ThreadGroup实现了Thread.UncaughtExceptionHandler接口,所以每个线程所属的线程组将会作为默认的异常处理器。当一个线程抛出未处理异常时,

JVM会首先查找该异常对应的异常处理器,(setUncaughtExceptionHandler设置异常处理器),如果找到该异常处理器,将调用该异常处理器处理异常。

否则,JVM将会调用该线程的所属线程组的uncaughtException处理异常,线程组处理异常流程如下:

A、如果该线程有父线程组,则调用父线程组的uncaughtException方法来处理异常

B、如果该线程实例所属的线程类有默认的异常处理器(setDefaultUnaughtExceptionHandler方法设置异常处理器),那就调用该异常处理器来处理异常信息

C、将异常调用栈的信息打印到System.err错误输出流,并结束该线程

 

15、Callable和Future

Callable接口定义了一个call方法可以作为线程的执行体,但call方法比run方法更强大:

A、call方法可以有返回值

B、call方法可以申明抛出异常

 

Callable接口是JDK5后新增的接口,而且不是Runnable的子接口,所以Callable对象不能直接作为Thread的target。而且call方法还有一个返回值,

call方法不能直接调用,它作为线程的执行体被调用。那么如何接收call方法的返回值?

JDK1.5提供了Future接口来代表Callable接口里的call方法的返回值,并为Future接口提供了一个FutureTask实现类,该实现类实现Future接口,

并实现了Runnable接口—可以作为Thread的target。

 

Future接口里定义了如下几个公共方法控制他关联的Callable任务:

A、boolean cancel(Boolean mayInterruptlfRunning):试图取消该Future里关联的Callable任务

B、V get():返回Callable任务里的call方法的返回值,调用该方法将导致线程阻塞,必须等到子线程结束才得到返回值

C、V get(long timeout, TimeUnit unit):返回Callable任务里的call方法的返回值,该方法让程序最多阻塞timeout和unit指定的时间。

如果经过指定时间后Callable任务依然没有返回值,将会抛出TimeoutException。

D、boolean isCancelled:如果在Callable任务正常完成前被取消,则返回true。

E、boolean isDone:如果Callable任务已经完成,则返回true

 

创建、并启动有返回值的线程的步骤如下:

一、创建Callable接口的实现类,并实现call方法,该call方法的返回值,并作为线程的执行体。

二、创建Callable实现类的实例,使用FutureTask类来包装Callable对象,该FutureTask对象封装了该Callable对象的call方法的返回值

三、使用FutureTask对象作为Thread对象的target创建、并启动新线程

四、调用FutureTask对象的方法来获得子线程执行结束后的返回值

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