多线程的同步锁和死锁

时间:2022-04-20 13:05:16

看完下面这些之后请点击以下链接,该链接中有一些练习题,可以加深理解多线程:

https://blog.csdn.net/wenzhi20102321/article/details/52524545

 

线程:线程是进程中的一个执行单元,负责当前进程中程序的执行,一个进程中至少有一个线程。一个进程中是可以有多个线程的,这个应用程序也可以称之为多线程程序。简而言之:一个程序运行后至少有一个进程,一个进程中可以包含多个线程。什么是多线程呢?即就是一个程序中有多个线程在同时执行。

单线程程序:即,若有多个任务只能依次执行。当上一个任务执行结束后,下一个任务开始执行。如,去网吧上网,网吧只能让一个人上网,当这个人下机后,下一个人才能上网。

多线程程序:即,若有多个任务可以同时执行。如,去网吧上网,网吧能够让多个人同时上网。

程序运行原理

分时调度

所有线程轮流使用 CPU 的使用权,平均分配每个线程占用 CPU 的时间。

 抢占式调度

优先让优先级高的线程使用 CPU,如果线程的优先级相同,那么会随机选择一个(线程随机性),Java使用的为抢占式调度。

 

随机的意思是:以下面的售票为例,甲乙丙,三个售票员,用多线程同时售票,可能出现全部都是甲在售票,也可能全部都是乙在售票,也可能全部都是丙在售票,也可能有甲也有乙,或者有乙也有丙等等现象,多运行几次就会出现各种情况;

大部分操作系统都支持多进程并发运行,现在的操作系统几乎都支持同时运行多个程序。比如:现在我们上课一边使用编辑器,一边使用录屏软件,同时还开着画图板,dos窗口等软件。此时,这些程序是在同时运行,”感觉这些软件好像在同一时刻运行着“。

实际上,CPU(*处理器)使用抢占式调度模式在多个线程间进行着高速的切换。对于CPU的一个核而言,某个时刻,只能执行一个线程,而 CPU的在多个线程间切换速度相对我们的感觉要快,看上去就是在同一时刻运行。

其实,多线程程序并不能提高程序的运行速度,但能够提高程序运行效率,让CPU的使用率更高。 

 线程安全

如果有多个线程在同时运行,而这些线程可能会同时运行这段代码。程序每次运行结果和单线程运行的结果是一样的,而且其他的变量的值也和预期的是一样的,就是线程安全的。

 

多线程的同步锁和死锁
/**
 * 
 * @author LYJ
 *    实现Runnable的代码
 *    
 */
public class Ticket implements Runnable {
    //设置总票数为100,这里的ticket是成员变量,
    //由于在测试类中new了一次,所以值存在一个,被三个售票窗口共享
    int ticket=100;
    public void run() {
        //模拟售票
        while(true) {
            //如果票数大于0,继续售票
            if(ticket>0) {
                //为了让线程安全问题效果明显些,加入线程定时休眠Thread.sleep()
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
                //Thread.currentThread()是线程获取当前线程对象的方法    getName()获取调用者的线程名
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在售票:"+ticket--);
            }
        }

    }

/**
 * 
 * 开启多线程的代码
 *
 */
public class ThreadDemo01 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建Ticket的Runnable对象
        Ticket ticket = new Ticket();
        //创建线程3个对象模拟三个售票窗口,并把Runnable对象加入Thread和给Thread命名
        new Thread(ticket,"窗口1").start();;
        new Thread(ticket,"窗口2").start();;
        new Thread(ticket,"窗口3").start();;

    }
*****************************************************************
输出结果:
窗口3正在售票:3
窗口2正在售票:2
窗口1正在售票:1
窗口3正在售票:0
窗口2正在售票:-1
            结果中出现了负数和0,这就是线程安全问题,要怎么解决呢?
            加同步锁 synchronized(Object o){....} o可以是任意对象
******************************************************************************
加入同步锁后的代码
public class Ticket implements Runnable {
    //设置总票数为100,这里的ticket是成员变量,
    //由于在测试类中new了一次,所以值存在一个,被三个售票窗口共享
    int ticket=100;
    public void run() {
        //模拟售票
        while(true) {
            //如果票数大于0,继续售票
            
            //加入同步锁
            synchronized(this) {
            if(ticket>0) {
                //为了让线程安全问题效果明显些,加入线程定时休眠Thread.sleep()
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
                //Thread.currentThread()是线程获取当前线程对象的方法    getName()获取调用者的线程名
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"正在售票:"+ticket--);
                }
            }
        }

    }
**********************************************
运行几次,发现运行结果中没有出现负数和0
多线程的同步锁和死锁

 

同步方法:在方法声明上加上synchronized

public synchronized void method(){

    可能会产生线程安全问题的代码

}  

同步方法中的锁对象是 this(即调用者对象)

静态同步方法: 在方法声明上加上static synchronized

public static synchronized void method(){

可能会产生线程安全问题的代码

}

静态同步方法中的锁对象是 类名.class(因为在加载类文件的时候,静态同步方法由于是静态的也被加载进内存了,类名.class的加载优先级高于静态方法)

同步代码块:在需要同步的代码外面包上一个synchronized

(Object o){

    可能会产生线程安全问题的代码

} 

同步代码块中的锁对象可以是任意对象,也就是synchronized后边括号里面的值。

 

同步锁的概念就是这样的。任何一个Object Reference都可以作为同步锁。我们可以把Object Reference理解为对象在内存分配系统中的内存地址。因此,要保证同步代码段之间使用的是同一个同步锁,我们就要保证这些同步代码段的synchronized关键字使用的是同一个Object Reference,同一个内存地址。这也是为什么我在前面的代码中声明锁对象的时候,使用了final关键字,这就是为了保证锁对象的Object Reference在整个系统运行过程中都保持不变。

 

  如果有10个线程同时执行代码段A,同时还有20个线程同时执行代码段B,那么这30个线程之间都是要进行同步的。
  这30个线程都要竞争一个同步锁lock1。同一时刻,只有一个线程能够获得lock1的所有权,只有一个线程可以执行代码段A或者代码段B。其他竞争失败的线程只能暂停运行,进入到该同步锁的就绪(Ready)队列
  每一个同步锁下面都挂了几个线程队列,包括就绪(Ready)队列,待召(Waiting)队列等。比如,lock1对应的就绪队列就可以叫做lock1 - ready queue。每个队列里面都可能有多个暂停运行的线程。
  注意,竞争同步锁失败的线程进入的是该同步锁的就绪(Ready)队列,而不是后面要讲述的待召队列(Waiting Queue,也可以翻译为等待队列)。就绪队列里面的线程总是时刻准备着竞争同步锁,时刻准备着运行。而待召队列里面的线程则只能一直等待,直到等到某个信号的通知之后,才能够转移到就绪队列中,准备运行。 成功获取同步锁的线程,执行完同步代码段之后,会释放同步锁。该同步锁的就绪队列中的其他线程就继续下一轮同步锁的竞争。成功者就可以继续运行,失败者还是要乖乖地待在就绪队列中。

 

 

死锁

同步锁使用的弊端:当线程任务中出现了多个同步(多个锁)时,如果同步中嵌套了其他的同步。这时容易引发一种现象:程序出现无限等待,这种现象我们称为死锁。这种情况能避免就避免掉。

synchronzied(A锁){

  synchronized(B锁){       

  }

}

多线程的同步锁和死锁
/**
 * 
 *创建锁对象
 *
 */
public class Lock {
    //这里用private封装,为了不让外面随便造锁,限制只能有A,B锁个一把,这样容易出现死锁
    //即A同学和B同学想相互串门,可是没人只有一把自己房间的钥匙,而且各自都不愿意先给,于是死锁
    private Lock() {};
    public static final Object lockA =new Object();
    public static final Object lockB = new Object();
    //这里使用static 为了让外界可以通过类名调用成员变量lockA和lockB
    //因为外面无法创建Lock对象,为了让外面在不创对象的情况下调用,加了static,通过类名加变量名访问
}

/**
 * 线程任务类
 * 
 */
import java.util.Random;

public class ThreadTask implements Runnable {
    int x = new Random().nextInt(1);//用随机数随机获取0、1,来模拟CPU随机分配执行权的行为
    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            if(x%2==0) {
                //情况一
//                先执行A再执行B:即A同学先拿了A门的钥匙去开A门,然后打算开B门
                synchronized(Lock.lockA) {
                    System.out.println("A同学...开A门");
                    synchronized(Lock.lockB) {
                        System.out.println("A同学...开B门");
                    }
                }
            }else {
                //情况二
//                先执行B执行A:B同学先拿了B门的钥匙,去开B门,然后打算开A门
                synchronized(Lock.lockB) {
                    System.out.println("B同学...开B门");
                    synchronized(Lock.lockA) {
                        System.out.println("B同学...开A门");
                    }
                }
            }
            x++;
        }

    }

/**
 * 
 * 线程测试类
 *
 */
public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建Runnable的实现类对象
        ThreadTask tt = new ThreadTask();
        //把Runnable实现类对象加入线程中,创建2个线程
        Thread t1 = new Thread(tt);
        Thread t2 = new Thread(tt);
        t1.start();
        t2.start();
        
    }
*********************************************************
输出结果:A同学...开A门
     A同学...开B门
     B同学...开B门
     B同学...开A门
     A同学...开A门
     B同学...开B门
结论:A同学或者B同学,一个人先后拿走两把钥匙时,线程是正常运行的,一旦A拿了A锁进去A门的时候,CPU突然让B开始执行,让B拿了B锁进入B门,结果A需要B锁,B也需要A锁,两者又不能后退
于是死锁现象发生了。

 等待唤醒机制

线程之间的通信:多个线程在处理同一个资源,但是处理的动作(线程的任务)却不相同。通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。而这种手段即等待唤醒机制

 

其他个人认为需要了解的信息:详细链接  https://zhidao.baidu.com/question/1770237924491868020.html

Object对象的wait()方法就是等待通知,Object对象的notify()方法就是发出通知。
具体调用方法为
(1)等待某个信号量的通知
public static final Object signal = new Object();

… f1() {
synchronized(singal) { // 首先我们要获取这个信号量。这个信号量同时也是一个同步锁

// 只有成功获取了signal这个信号量兼同步锁之后,我们才可能进入这段代码
signal.wait(); // 这里要放弃信号量。本线程要进入signal信号量的待召(Waiting)队列

// 可怜。辛辛苦苦

争取到手的信号量,就这么被放弃了

// 等到通知之后,从待召(Waiting)队列转到就绪(Ready)队列里面
// 转到了就绪队列中,离CPU核心近了一步,就有机会继续执行下面的代码了。
// 仍然需要把signal同步锁竞争到手,才能够真正继续执行下面的代码。命苦啊。

}
}

需要注意的是,上述代码中的signal.wait()的意思。signal.wait()很容易导致误解。signal.wait()的意思并不是说,signal开始wait,而是说,运行这段代码的当前线程开始wait这个signal对象,即进入signal对象的待召(Waiting)队列。

(2)发出某个信号量的通知
… f2() {
synchronized(singal) { // 首先,我们同样要获取这个信号量。同时也是一个同步锁。

// 只有成功获取了signal这个信号量兼同步锁之后,我们才可能进入这段代码
signal.notify(); // 这里,我们通知signal的待召队列中的某个线程。

// 如果某个线程等到了这个通知,那个线程就会转到就绪队列中
// 但是本线程仍然继续拥有signal这个同步锁,本线程仍然继续执行
// 嘿嘿,虽然本线程好心通知其他线程,
// 但是,本线程可没有那么高风亮节,放弃到手的同步锁
// 本线程继续执行下面的代码

}
}

需要注意的是,signal.notify()的意思。signal.notify()并不是通知signal这个对象本身。而是通知正在等待signal信号量的其他线程。

以上就是Object的wait()和notify()的基本用法。
实际上,wait()还可以定义等待时间,当线程在某信号量的待召队列中,等到足够长的时间,就会等无可等,无需再等,自己就从待召队列转移到就绪队列中了。
另外,还有一个notifyAll()方法,表示通知待召队列里面的所有线程。
这些细节问题,并不对大局产生影响。

 

看完以上这些之后请点击以下链接,该链接中有一些练习题,可以加深理解多线程:

https://blog.csdn.net/wenzhi20102321/article/details/52524545