java并发之如何解决线程安全问题

时间：2022-03-18 17:59:26
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java并发编程：线程安全-线程同步-synchronized和lock
2016-09-16 09:32:29      0 个评论    来源：公绪凯—个人专栏  
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多线程在提高效率的同时，必然面临线程安全的问题，Java中提供了一些机制来解决线程安全问题。

当多个线程同时访问临界资源（或叫共享资源）（一个对象，对象中的属性，一个文件，一个数据库等）时，就可能会产生线程安全问题。

不过，当多个线程执行一个方法，方法内部的局部变量并不是临界资源，因为方法是在栈上执行的，而Java栈是线程私有的，因此不会产生线程安全问题。

解决方案:序列化访问临界资源”的方案，即在同一时刻，只能有一个线程访问临界资源，也称作同步互斥访问。

在Java中，提供了两种方式来实现同步互斥访问：synchronized和Lock。

1.synchronized

（1）synchronized方法

例子：两个线程分别调用insertData对象插入数据：

 

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public class Test {
  
     public static void main(String[] args)  {
         final InsertData insertData = new InsertData();
          
         new Thread() {
             public void run() {
                 insertData.insert(Thread.currentThread());
             };
         }.start();
          
          
         new Thread() {
             public void run() {
                 insertData.insert(Thread.currentThread());
             };
         }.start();
     } 
}
  
class InsertData {
     private ArrayList<integer> arrayList = new ArrayList<integer>();
      
     public void insert(Thread thread){
         for ( int i= 0 ;i< 5 ;i++){
             System.out.println(thread.getName()+ "在插入数据" +i);
             arrayList.add(i);
         }
     }
}</integer></integer>
此时程序的输出结果为：
java并发之如何解决线程安全问题

 

说明两个线程在同时执行insert方法。

而如果在insert方法前面加上关键字synchronized的话，运行结果为：

 

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class InsertData {
     private ArrayList<integer> arrayList = new ArrayList<integer>();
      
     public synchronized void insert(Thread thread){
         for ( int i= 0 ;i< 5 ;i++){
             System.out.println(thread.getName()+ "在插入数据" +i);
             arrayList.add(i);
         }
     }
}</integer></integer>

java并发之如何解决线程安全问题

 

 

从上输出结果说明，Thread-1插入数据是等Thread-0插入完数据之后才进行的。说明Thread-0和Thread-1是顺序执行insert方法的。

这就是synchronized方法。

注意：

1）当一个线程正在访问一个对象的synchronized方法，那么其他线程不能访问该对象的其他synchronized方法。这个原因很简单，因为一个对象只有一把锁，当一个线程获取了该对象的锁之后，其他线程无法获取该对象的锁，所以无法访问该对象的其他synchronized方法。

　　2）当一个线程正在访问一个对象的synchronized方法，那么其他线程能访问该对象的非synchronized方法。这个原因很简单，访问非synchronized方法不需要获得该对象的锁，假如一个方法没用synchronized关键字修饰，说明它不会使用到临界资源，那么其他线程是可以访问这个方法的，

　　3）如果一个线程A需要访问对象object1的synchronized方法fun1，另外一个线程B需要访问对象object2的synchronized方法fun1，即使object1和object2是同一类型），也不会产生线程安全问题，因为他们访问的是不同的对象，所以不存在互斥问题。

（2）synchronized代码块

synchronized代码块类似于以下这种形式：

synchronized(synObject) { }

当在某个线程中执行这段代码块，该线程会获取对象synObject的锁，从而使得其他线程无法同时访问该代码块。

　　synObject可以是this，代表获取当前对象的锁，也可以是类中的一个属性，代表获取该属性的锁。

　　比如上面的insert方法可以改成以下两种形式：

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<span style= "font-size:14px;" > class InsertData {
     private ArrayList<integer> arrayList = new ArrayList<integer>();
      
     public void insert(Thread thread){
         synchronized ( this ) {
             for ( int i= 0 ;i< 100 ;i++){
                 System.out.println(thread.getName()+ "在插入数据" +i);
                 arrayList.add(i);
             }
         }
     }
}</integer></integer></span>
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<span style= "font-size:14px;" > class InsertData {
     private ArrayList<integer> arrayList = new ArrayList<integer>();
     private Object object = new Object();
      
     public void insert(Thread thread){
         synchronized (object) {
             for ( int i= 0 ;i< 100 ;i++){
                 System.out.println(thread.getName()+ "在插入数据" +i);
                 arrayList.add(i);
             }
         }
     }
}</integer></integer></span>
从上面可以看出，synchronized代码块使用起来比synchronized方法要灵活得多。synchronized代码块可以实现只对需要同步的地方进行同步。

 

另外，每个类也会有一个锁，它可以用来控制对static数据成员的并发访问。

　　并且如果一个线程执行一个对象的非static synchronized方法，另外一个线程需要执行这个对象所属类的static synchronized方法，此时不会发生互斥现象，因为访问static synchronized方法占用的是类锁，而访问非static synchronized方法占用的是对象锁，所以不存在互斥现象。

看下面这段代码就明白了：

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public class Test {
  
     public static void main(String[] args)  {
         final InsertData insertData = new InsertData();
         new Thread(){
             @Override
             public void run() {
                 insertData.insert();
             }
         }.start();
         new Thread(){
             @Override
             public void run() {
                 insertData.insert1();
             }
         }.start();
     } 
}
  
class InsertData {
     public synchronized void insert(){
         System.out.println( "执行insert" );
         try {
             Thread.sleep( 5000 );
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         System.out.println( "执行insert完毕" );
     }
      
     public synchronized static void insert1() {
         System.out.println( "执行insert1" );
         System.out.println( "执行insert1完毕" );
     }
}
执行结果：

java并发之如何解决线程安全问题

第一个线程里面执行的是insert方法，不会导致第二个线程执行insert1方法发生阻塞现象。

注意：对于synchronized方法或者synchronized代码块，当出现异常时，JVM会自动释放当前线程占用的锁，因此不会出现由于异常导致出现死锁现象。
 

2.Lock

synchronized是java中的一个关键字，也就是说是Java语言内置的特性。

 

代码块被synchronized修饰了，当一个线程获取了对应的锁，并执行该代码块时，其他线程便只能一直等待，等待获取锁的线程释放锁，而这里获取锁的线程释放锁只会有两种情况：

　　1）获取锁的线程执行完了该代码块，然后线程释放对锁的占有；

　　2）线程执行发生异常，此时JVM会让线程自动释放锁。

如果这个获取锁的线程由于要等待IO或者其他原因（比如调用sleep方法）被阻塞了，但是又没有释放锁，其他线程便只能等待，多么影响程序执行效率。

因此就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去（比如只等待一定的时间或者能够响应中断），通过Lock就可以办到。

 

再举个例子：当有多个线程读写文件时，读操作和写操作会发生冲突现象，写操作和写操作会发生冲突现象，但是读操作和读操作不会发生冲突现象。

　　但是采用synchronized关键字来实现同步的话，就会导致一个问题：

　　如果多个线程都只是进行读操作，所以当一个线程在进行读操作时，其他线程只能等待无法进行读操作。

　　因此就需要一种机制来使得多个线程都只是进行读操作时，线程之间不会发生冲突，通过Lock就可以办到。

　　另外，通过Lock可以知道线程有没有成功获取到锁。这个是synchronized无法办到的。

　　总结一下，也就是说Lock提供了比synchronized更多的功能。但是要注意以下几点：

　　1）Lock不是Java语言内置的，synchronized是Java语言的关键字，因此是内置特性。Lock是一个类，通过这个类可以实现同步访问；

　　2）Lock和synchronized有一点非常大的不同，采用synchronized不需要用户去手动释放锁，当synchronized方法或者synchronized代码块执行完之后，系统会自动让线程释放对锁的占用；而Lock则必须要用户去手动释放锁，如果没有主动释放锁，就有可能导致出现死锁现象。

java.util.concurrent.locks包中常用的类和接口:
(1). Lock

Lock是一个接口：

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public interface Lock {
     void lock();
     void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
     boolean tryLock();
     boolean tryLock( long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
     void unlock();
     Condition newCondition();
}
lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()是用来获取锁的。unLock()方法是用来释放锁的。

在Lock中声明了四个方法来获取锁，那么这四个方法有何区别呢？

<1>.lock():如果锁已被其他线程获取，则进行等待。采用Lock，必须主动去释放锁，并且在发生异常时，不会自动释放锁。因此一般来说，使用Lock必须在try{}catch{}块中进行，并且将释放锁的操作放在finally块中进行，以保证锁一定被被释放，防止死锁的发生。

通常使用Lock来进行同步的话，是以下面这种形式去使用的：

Lock lock = …; lock.lock(); try{ //处理任务 }catch(Exception ex){ }finally{ lock.unlock();//释放锁 } <2>.tryLock():有返回值，表示用来尝试获取锁，如果获取成功，则返回true，如果获取失败（即锁已被其他线程获取），则返回false，也就说这个方法无论如何都会立即返回。在拿不到锁时不会一直在那等待。

tryLock(long time, TimeUnit unit): 和tryLock()方法是类似的，区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间，在时间期限之内如果还拿不到锁，就返回false。如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁，则返回true。

一般情况下通过tryLock来获取锁时是这样使用的：

Lock lock = …; if(lock.tryLock()) { try{ //处理任务 }catch(Exception ex){ }finally{ lock.unlock();//释放锁 } }else{ //如果不能获取锁，则直接做其他事情 } <3>.lockInterruptibly()

获取锁时，如果线程正在等待获取锁，则这个线程能够响应中断，即中断线程的等待状态。当两个线程同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时，假若此时线程A获取到了锁，而线程B只有在等待，那么对线程B调用thread B.interrupt()方法能够中断线程B的等待过程。

lockInterruptibly()一般的使用形式如下：

publicvoidmethod()throwsInterruptedException { lock.lockInterruptibly(); try{ //….. } finally{ lock.unlock(); } }

 

　注意，当一个线程获取了锁之后，是不会被interrupt()方法中断的。单独调用interrupt()方法不能中断正在运行过程中的线程，只能中断阻塞过程中的线程。

　　因此当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时，如果不能获取到，只有进行等待的情况下，是可以响应中断的。

　　而用synchronized修饰的话，当一个线程处于等待某个锁的状态，是无法被中断的，只有一直等待下去。

　(2). ReentrantLock

可重入锁。ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类，并且ReentrantLock提供了更多的方法。

例子1，lock()的正确使用方法

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public class Test {
     private ArrayList<integer> arrayList = new ArrayList<integer>();
     public static void main(String[] args)  {
         final Test test = new Test();
          
         new Thread(){
             public void run() {
                 test.insert(Thread.currentThread());
             };
         }.start();
          
         new Thread(){
             public void run() {
                 test.insert(Thread.currentThread());
             };
         }.start();
     } 
      
     public void insert(Thread thread) {
         Lock lock = new ReentrantLock();    //注意这个地方
         lock.lock();
         try {
             System.out.println(thread.getName()+ "得到了锁" );
             for ( int i= 0 ;i< 5 ;i++) {
                 arrayList.add(i);
             }
         } catch (Exception e) {
             // TODO: handle exception
         } finally {
             System.out.println(thread.getName()+ "释放了锁" );
             lock.unlock();
         }
     }
}</integer></integer>

输出结果：
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Thread- 0 得到了锁
Thread- 1 得到了锁
Thread- 0 释放了锁
Thread- 1 释放了锁

 

也许有朋友会问，怎么会输出这个结果？第二个线程怎么会在第一个线程释放锁之前得到了锁？原因在于，在insert方法中的lock变量是局部变量，每个线程执行该方法时都会保存一个副本，那么理所当然每个线程执行到lock.lock()处获取的是不同的锁，所以就不会发生冲突。

　　知道了原因改起来就比较容易了，只需要将lock声明为类的属性即可。

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public class Test {
     private ArrayList<integer> arrayList = new ArrayList<integer>();
     private Lock lock = new ReentrantLock();    //注意这个地方
     public static void main(String[] args)  {
         final Test test = new Test();
          
         new Thread(){
             public void run() {
                 test.insert(Thread.currentThread());
             };
         }.start();
          
         new Thread(){
             public void run() {
                 test.insert(Thread.currentThread());
             };
         }.start();
     } 
      
     public void insert(Thread thread) {
         lock.lock();
         try {
             System.out.println(thread.getName()+ "得到了锁" );
             for ( int i= 0 ;i< 5 ;i++) {
                 arrayList.add(i);
             }
         } catch (Exception e) {
             // TODO: handle exception
         } finally {
             System.out.println(thread.getName()+ "释放了锁" );
             lock.unlock();
         }
     }
}</integer></integer>
这样就是正确地使用Lock的方法了。

例子2，tryLock()的使用方法

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public class Test {
     private ArrayList<integer> arrayList = new ArrayList<integer>();
     private Lock lock = new ReentrantLock();    //注意这个地方
     public static void main(String[] args)  {
         final Test test = new Test();
          
         new Thread(){
             public void run() {
                 test.insert(Thread.currentThread());
             };
         }.start();
          
         new Thread(){
             public void run() {
                 test.insert(Thread.currentThread());
             };
         }.start();
     } 
      
     public void insert(Thread thread) {
         if (lock.tryLock()) {
             try {
                 System.out.println(thread.getName()+ "得到了锁" );
                 for ( int i= 0 ;i< 5 ;i++) {
                     arrayList.add(i);
                 }
             } catch (Exception e) {
                 // TODO: handle exception
             } finally {
                 System.out.println(thread.getName()+ "释放了锁" );
                 lock.unlock();
             }
         } else {
             System.out.println(thread.getName()+ "获取锁失败" );
         }
     }
}</integer></integer>
输出结果：
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Thread- 0 得到了锁
Thread- 1 获取锁失败
Thread- 0 释放了锁
例子3，lockInterruptibly()响应中断的使用方法：
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public class Test {
     private Lock lock = new ReentrantLock();  
     public static void main(String[] args)  {
         Test test = new Test();
         MyThread thread1 = new MyThread(test);
         MyThread thread2 = new MyThread(test);
         thread1.start();
         thread2.start();
          
         try {
             Thread.sleep( 2000 );
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         thread2.interrupt();
     } 
      
     public void insert(Thread thread) throws InterruptedException{
         lock.lockInterruptibly();   //注意，如果需要正确中断等待锁的线程，必须将获取锁放在外面，然后将InterruptedException抛出
         try { 
             System.out.println(thread.getName()+ "得到了锁" );
             long startTime = System.currentTimeMillis();
             for (    ;     ;) {
                 if (System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE)
                     break ;
                 //插入数据
             }
         }
         finally {
             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "执行finally" );
             lock.unlock();
             System.out.println(thread.getName()+ "释放了锁" );
         } 
     }
}
  
class MyThread extends Thread {
     private Test test = null ;
     public MyThread(Test test) {
         this .test = test;
     }
     @Override
     public void run() {
          
         try {
             test.insert(Thread.currentThread());
         } catch (InterruptedException e) {
             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "被中断" );
         }
     }
}
运行之后，发现thread2能够被正确中断。

 

　(3).ReadWriteLock

ReadWriteLock也是一个接口

 

publicinterfaceReadWriteLock { Lock readLock();//获取读锁 Lock writeLock();//获取写锁 }
将文件的读写操作分开，分成2个锁来分配给线程，从而使得多个线程可以同时进行读操作。

下面的ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口。
(4).ReentrantReadWriteLock

具体用法:有多个线程要同时进行读操作

synchronized达到的效果：

 

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public class Test {
     private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
      
     public static void main(String[] args)  {
         final Test test = new Test();
          
         new Thread(){
             public void run() {
                 test.get(Thread.currentThread());
             };
         }.start();
          
         new Thread(){
             public void run() {
                 test.get(Thread.currentThread());
             };
         }.start();
          
     } 
      
     public synchronized void get(Thread thread) {
         long start = System.currentTimeMillis();
         while (System.currentTimeMillis() - start <= 1 ) {
             System.out.println(thread.getName()+ "正在进行读操作" );
         }
         System.out.println(thread.getName()+ "读操作完毕" );
     }
}

这段程序的输出结果是，直到thread1执行完读操作之后，才会打印thread2执行读操作的信息。

 

ReentrantReadWriteLock达到的效果：

 

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public class Test {
     private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
      
     public static void main(String[] args)  {
         final Test test = new Test();
          
         new Thread(){
             public void run() {
                 test.get(Thread.currentThread());
             };
         }.start();
          
         new Thread(){
             public void run() {
                 test.get(Thread.currentThread());
             };
         }.start();
          
     } 
      
     public void get(Thread thread) {
         rwl.readLock().lock();
         try {
             long start = System.currentTimeMillis();
              
             while (System.currentTimeMillis() - start <= 1 ) {
                 System.out.println(thread.getName()+ "正在进行读操作" );
             }
             System.out.println(thread.getName()+ "读操作完毕" );
         } finally {
             rwl.readLock().unlock();
         }
     }
}
结果是：thread1和thread2在同时进行读操作。大大提升了读操作的效率

 

 

如果有一个线程已经占用了读锁，则此时其他线程如果要申请写锁，则申请写锁的线程会一直等待释放读锁。

如果有一个线程已经占用了写锁，则此时其他线程如果申请写锁或者读锁，则申请的线程会一直等待释放写锁。

Lock和synchronized的选择：

总结来说，Lock和synchronized有以下几点不同：

　　1）Lock是一个接口，而synchronized是Java中的关键字，synchronized是内置的语言实现；

　　2）synchronized在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生；而Lock在发生异常时，如果没有主动通过unLock()去释放锁，则很可能造成死锁现象，因此使用Lock时需要在finally块中释放锁；

　　3）Lock可以让等待锁的线程响应中断，而synchronized却不行，使用synchronized时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断；

　　4）通过Lock可以知道有没有成功获取锁，而synchronized却无法办到。

　　5）Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。

　　在性能上来说，如果竞争资源不激烈，两者的性能是差不多的，而当竞争资源非常激烈时（即有大量线程同时竞争），此时Lock的性能要远远优于synchronized。所以说，在具体使用时要根据适当情况选择。

锁的相关概念：

1.可重入锁

如果锁具备可重入性，则称作为可重入锁。像synchronized和ReentrantLock都是可重入锁，可重入性实际上表明了锁的分配机制：基于线程的分配，而不是基于方法调用的分配。举个简单的例子，当一个线程执行到某个synchronized方法时，比如说method1，而在method1中会调用另外一个synchronized方法method2，此时线程不必重新去申请锁，而是可以直接执行方法method2。

classMyClass { publicsynchronizedvoidmethod1() { method2(); } publicsynchronizedvoidmethod2() { } }

上述代码中的两个方法method1和method2都用synchronized修饰了，

假如synchronized不具备可重入性，某一时刻，线程A执行到了method1，此时线程A获取了这个对象的锁，而由于method2也是synchronized方法，此时线程A需要重新申请锁。因为线程A已经持有了该对象的锁，而又在申请获取该对象的锁，这样就会线程A一直等待永远不会获取到锁。

　　而由于synchronized和Lock都具备可重入性，所以不会发生上述现象。

2.可中断锁

在Java中，synchronized就不是可中断锁，而Lock是可中断锁。

　　如果某一线程A正在执行锁中的代码，另一线程B正在等待获取该锁，可能由于等待时间过长，线程B不想等待了，想先处理其他事情，我们可以让它中断自己或者在别的线程中中断它，这种就是可中断锁。

　　在前面演示lockInterruptibly()的用法时已经体现了Lock的可中断性。

3.公平锁

公平锁即尽量以请求锁的顺序来获取锁。比如同是有多个线程在等待一个锁，当这个锁被释放时，等待时间最久的线程（最先请求的线程）会获得该所，这种就是公平锁。

　　非公平锁即无法保证锁的获取是按照请求锁的顺序进行的。这样就可能导致某个或者一些线程永远获取不到锁。

　　在Java中，synchronized就是非公平锁，它无法保证等待的线程获取锁的顺序。

　　而对于ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock，它默认情况下是非公平锁，但是可以设置为公平锁。

ReentrantLock lock =newReentrantLock(true);//true表示为公平锁，为fasle为非公平锁。默认情况下，如果使用无参构造器，则是非公平锁。

另外在ReentrantLock类中定义了很多方法，比如：

　　isFair() //判断锁是否是公平锁

　　isLocked() //判断锁是否被任何线程获取了

　　isHeldByCurrentThread() //判断锁是否被当前线程获取了

　　hasQueuedThreads() //判断是否有线程在等待该锁

　　在ReentrantReadWriteLock中也有类似的方法，同样也可以设置为公平锁和非公平锁。

不过要记住，ReentrantReadWriteLock并未实现Lock接口，它实现的是ReadWriteLock接口。

4.读写锁

读写锁将对一个资源（比如文件）的访问分成了2个锁，一个读锁和一个写锁。

　　正因为有了读写锁，才使得多个线程之间的读操作不会发生冲突。

　　ReadWriteLock就是读写锁，它是一个接口，ReentrantReadWriteLock实现了这个接口。

　　可以通过readLock()获取读锁，通过writeLock()获取写锁。

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    java并发之如何解决线程安全问题
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