多线程安全问题原理和解决办法Synchronized和ReentrantLock使用与区别

线程安全问题概述

卖票问题分析

• 单窗口卖票

一个窗口(单线程)卖100张票没有问题
单线程程序是不会出现线程安全问题的

• 多个窗口卖不同的票

3个窗口一起卖票,卖的票不同,也不会出现问题
多线程程序,没有访问共享数据,不会产生问题

• 多个窗口卖相同的票

3个窗口卖的票是一样的,就会出现安全问题
多线程访问了共享的数据,会产生线程安全问题

线程安全问题代码实现

模拟卖票案例
创建3个线程,同时开启,对共享的票进行出售

public class Demo01Ticket {
    public static void main(String[] args) {
        //创建Runnable接口的实现类对象
        RunnableImpl run = new RunnableImpl();
        //创建Thread类对象,构造方法中传递Runnable接口的实现类对象
        Thread t0 = new Thread(run);
        Thread t1 = new Thread(run);
        Thread t2 = new Thread(run);
        //调用start方法开启多线程
        t0.start();
        t1.start();
        t2.start();
    }
}


public class RunnableImpl implements Runnable{
    //定义一个多个线程共享的票源
    private  int ticket = 100;
    
    
    //设置线程任务:卖票
    @Override
    public void run() {
        //使用死循环,让卖票操作重复执行
        while(true){
            //先判断票是否存在
            if(ticket>0){
                //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                //票存在,卖票 ticket--
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                ticket--;
            }
        }
    }
}

线程安全问题原理分析

线程安全问题产生原理图
分析：线程安全问题正常是不允许产生的,我们可以让一个线程在访问共享数据的时候,无论是否失去了cpu的执行权;让其他的线程只能等待,等待当前线程卖完票,其他线程在进行卖票。

解决线程安全问题办法1-synchronized同步代码块

同步代码块：synchronized 关键字可以用于方法中的某个区块中，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。
使用synchronized同步代码块格式:

synchronized(锁对象){
可能会出现线程安全问题的代码(访问了共享数据的代码)
}

代码实现如下：

public class Demo01Ticket {
    public static void main(String[] args) {
        //创建Runnable接口的实现类对象
        RunnableImpl run = new RunnableImpl();
        //创建Thread类对象,构造方法中传递Runnable接口的实现类对象
        Thread t0 = new Thread(run);
        Thread t1 = new Thread(run);
        Thread t2 = new Thread(run);
        //调用start方法开启多线程
        t0.start();
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

public class RunnableImpl implements Runnable{
    //定义一个多个线程共享的票源
    private  int ticket = 100;

    //创建一个锁对象
    Object obj = new Object();

    //设置线程任务:卖票
    @Override
    public void run() {
        //使用死循环,让卖票操作重复执行
        while(true){
           //同步代码块
            synchronized (obj){
                //先判断票是否存在
                if(ticket>0){
                    //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                    //票存在,卖票 ticket--
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                    ticket--;
                }
            }
        }
    }
}

⚠️注意:

1. 代码块中的锁对象,可以使用任意的对象。
2. 但是必须保证多个线程使用的锁对象是同一个。
3. 锁对象作用：把同步代码块锁住,只让一个线程在同步代码块中执行。

同步技术原理分析

同步技术原理：
使用了一个锁对象,这个锁对象叫同步锁,也叫对象锁,也叫对象监视器
3个线程一起抢夺cpu的执行权,谁抢到了谁执行run方法进行卖票。

• t0抢到了cpu的执行权,执行run方法,遇到synchronized代码块这时t0会检查synchronized代码块是否有锁对象

发现有,就会获取到锁对象,进入到同步中执行

• t1抢到了cpu的执行权,执行run方法,遇到synchronized代码块这时t1会检查synchronized代码块是否有锁对象

发现没有,t1就会进入到阻塞状态，会一直等待t0线程归还锁对象，t0线程执行完同步中的代码,会把锁对象归 还给同步代码块t1才能获取到锁对象进入到同步中执行
📌总结:同步中的线程,没有执行完毕不会释放锁,同步外的线程没有锁进不去同步。

解决线程安全问题办法2-synchronized普通同步方法

同步方法:使用synchronized修饰的方法,就叫做同步方法,保证A线程执行该方法的时候,其他线程只能在方法外等着。
格式：

public synchronized void payTicket(){
可能会出现线程安全问题的代码(访问了共享数据的代码)
}

代码实现：

    public /**synchronized*/ void payTicket(){
        synchronized (this){
            //先判断票是否存在
            if(ticket>0){
                //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                //票存在,卖票 ticket--
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                ticket--;
            }
        }

    }

分析：
定义一个同步方法，同步方法也会把方法内部的代码锁住，只让一个线程执行。
🧐同步方法的锁对象是谁?
就是实现类对象 new RunnableImpl()，也是就是this，所以同步方法是锁定的this对象。

解决线程安全问题办法3-synchronized静态同步方法

同步方法:使用synchronized修饰的方法,就叫做同步方法,保证A线程执行该方法的时候,其他线程只能在方法外等着。对于static方法,我们使用当前方法所在类的字节码对象(类名.class)。
格式：

public static synchronized void payTicket(){
可能会出现线程安全问题的代码(访问了共享数据的代码)
}

代码实现：

    public static /**synchronized*/ void payTicketStatic(){
        synchronized (RunnableImpl.class){
            //先判断票是否存在
            if(ticket>0){
                //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                //票存在,卖票 ticket--
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"-->正在卖第"+ticket+"张票");
                ticket--;
            }
        }

    }

**分析：**🧐静态的同步方法锁对象是谁?
不能是this,this是创建对象之后产生的,静态方法优先于对象
静态方法的锁对象是本类的class属性–>class文件对象(反射)。

解决线程安全问题办法4-Lock锁

Lock接口中的方法:

• public void lock() :加同步锁。
• public void unlock() :释放同步锁

使用步骤:

1. 在成员位置创建一个ReentrantLock对象
2. 在可能会出现安全问题的代码前调用Lock接口中的方法lock获取锁
3. 在可能会出现安全问题的代码后调用Lock接口中的方法unlock释放锁

代码实现：

public class RunnableImpl implements Runnable{
    //定义一个多个线程共享的票源
    private  int ticket = 100;

    //1.在成员位置创建一个ReentrantLock对象
    Lock l = new ReentrantLock();

    //设置线程任务:卖票
    @Override
    public void run() {
        //使用死循环,让卖票操作重复执行
        while(true){

            //2.在可能会出现安全问题的代码前调用Lock接口中的方法lock获取锁
            l.lock();
            try {
                //先判断票是否存在
                if(ticket>0) {
                    //提高安全问题出现的概率,让程序睡眠

                    Thread.sleep(10);
                    //票存在,卖票 ticket--
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-->正在卖第" + ticket + "张票");
                    ticket--;
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                l.unlock();
                //3.在可能会出现安全问题的代码后调用Lock接口中的方法unlock释放锁
                //无论程序是否异常,都会把锁释放
            }
        }
    }

分析：java.util.concurrent.locks.Lock接口
Lock 实现提供了比使用 synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作。相比Synchronized，ReentrantLock类提供了一些高级功能，主要有以下3项：

1. 等待可中断，持有锁的线程长期不释放的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，这相当于Synchronized来说可以避免出现死锁的情况。通过lock.lockInterruptibly()来实现这个机制。
2. 公平锁，多个线程等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序获得锁，Synchronized锁非公平锁，ReentrantLock默认的构造函数是创建的非公平锁，可以通过参数true设为公平锁，但公平锁表现的性能不是很好。

公平锁、非公平锁的创建方式：

//创建一个非公平锁，默认是非公平锁
Lock lock = new ReentrantLock();
Lock lock = new ReentrantLock(false);
 //创建一个公平锁，构造传参true
Lock lock = new ReentrantLock(true);

3. 锁绑定多个条件，一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个对象。ReenTrantLock提供了一个Condition（条件）类，用来实现分组唤醒需要唤醒的线程们，而不是像synchronized要么随机唤醒一个线程要么唤醒全部线程。

ReentrantLock和Synchronized的区别

相同点：

1. 它们都是加锁方式同步；
2. 都是重入锁；
3. 阻塞式的同步；也就是说当如果一个线程获得了对象锁，进入了同步块，其他访问该同步块的线程都必须阻塞在同步块外面等待，而进行线程阻塞和唤醒的代价是比较高的（操作系统需要在用户态与内核态之间来回切换，代价很高，不过可以通过对锁优化进行改善）； ** **
   | 不同点 | SynChronized | ReentrantLock（实现了 Lock接口） |
   | — | — | — |
   | 原始构成 | 它是java语言的关键字，是原生语法层面的互斥，需要jvm实现 | 它是JDK 1.5之后提供的API层面的互斥锁类 |
   | 实现 | 通过JVM加锁解锁 | api层面的加锁解锁，需要手动释放锁。 |
   | 代码编写 | 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，更安全， | 而ReentrantLock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。需要lock()和unlock()方法配合try/finally语句块来完成， |
   | 灵活性 | 锁的范围是整个方法或synchronized块部分 | Lock因为是方法调用，可以跨方法，灵活性更大 |
   | 等待可中断 | 不可中断，除非抛出异常(释放锁方式：1.代码执行完，正常释放锁；2.抛出异常，由JVM退出等待) | 持有锁的线程长期不释放的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待,(方法：1.设置超时方法 tryLock(long timeout, TimeUnit unit)，时间过了就放弃等待；2.lockInterruptibly()放代码块中，调用interrupt()方法可中断，而synchronized不行)|
   | 是否公平锁 | 非公平锁 | 两者都可以，默认公平锁，构造器可以传入boolean值，true为公平锁，false为非公平锁， |
   | 条件Condition | | 通过多次newCondition可以获得多个Condition对象,可以简单的实现比较复杂的线程同步的功能. |
   | 提供的高级功能 | | 提供很多方法用来监听当前锁的信息，如：
   getHoldCount()   getQueueLength()  isFair() isHeldByCurrentThread() isLocked() |
   | 便利性 | Synchronized的使用比较方便简洁，由编译器去保证锁的加锁和释放 | 需要手工声明来加锁和释放锁， |
   | 适用情况 | 资源竞争不是很激烈的情况下，偶尔会有同步的情形下，synchronized是很合适的。原因在于，编译程序通常会尽可能的进行优化synchronize，另外可读性非常好 | ReentrantLock提供了多样化的同步，比如有时间限制的同步，可以被Interrupt的同步（synchronized的同步是不能Interrupt的）等。在资源竞争不激烈的情形下，性能稍微比synchronized差点点。但是当同步非常激烈的时候，synchronized的性能一下子能下降好几十倍。而ReentrantLock确还能维持常态。 |

本文内容到此结束了，
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