Java并發編程之介紹線程安全基礎的示例

這篇文章主要介紹了Java并發編程之介紹線程安全基礎的示例，具有一定借鑒價值，感興趣的朋友可以參考下，希望大家閱讀完這篇文章之后大有收獲，下面讓小編帶著大家一起了解一下。

線程安全基礎

• 1.線程安全問題

• 2.賬戶取款案例

• 3.同步代碼塊synchronized

• 
  

• synchronized的理解

• java中有三大變量的線程安全問題

• 在實例方法上使用synchronized

• 總結

• 面試題

• 4.死鎖

• 5.開發中應該怎么解決線程安全問題

• 6.守護線程

• 7.定時器

• 8.實現線程的第三種方式：實現Callable接口

• 9.Object類中的wait和notify方法

• 10.生產者和消費者

1.線程安全問題

2.1、為什么這個是重點？
??以后在開發中，我們的項目都是運行在服務器當中，而服務器已經將線程的定義，線程對象的創建，線程的啟動等，都已經實現完了。這些代碼我們都不需要編寫。
??最重要的是：你要知道，你編寫的程序需要放到一個多線程的環境下運行，你更需要關注的是這些數據在多線程并發的環境下是否是安全的。（重點：*****）
2.2、什么時候數據在多線程并發的環境下會存在安全問題呢？

??三個條件：
??條件1：多線程并發。
??條件2：有共享數據。
??條件3：共享數據有修改的行為。
??滿足以上3個條件之后，就會存在線程安全問題。
2.3、怎么解決線程安全問題呢？
當多線程并發的環境下，有共享數據，并且這個數據還會被修改，此時就存在線程安全問題，怎么解決這個問題？
??線程排隊執行。（不能并發）。
??用排隊執行解決線程安全問題。
??這種機制被稱為：線程同步機制。
??專業術語叫做：線程同步，實際上就是線程不能并發了，線程必須排隊執行。
??怎么解決線程安全問題呀？
??使用“線程同步機制”。
??線程同步就是線程排隊了，線程排隊了就會犧牲一部分效率，沒辦法，數據安全第一位，只有數據安全了，我們才可以談效率。數據不安全，沒有效率的事兒。
2.4、說到線程同步這塊，涉及到這兩個專業術語：
異步編程模型：
??線程t1和線程t2，各自執行各自的，t1不管t2，t2不管t1，
??誰也不需要等誰，這種編程模型叫做：異步編程模型。
??其實就是：多線程并發（效率較高。）

同步編程模型：
??線程t1和線程t2，在線程t1執行的時候，必須等待t2線程執行結束，或者說在t2線程執行的時候，必須等待t1線程執行結束，兩個線程之間發生了等待關系，這就是同步編程模型。效率較低。線程排隊執行。

異步就是并發。同步就是排隊。

2.賬戶取款案例

Account類

package ThreadSafe;public class Account {
	//賬號
	private String actno;
	//余額
	private double balance;
	
	public Account(String actno, double balance) {
		super();
		this.actno = actno;
		this.balance = balance;
	}
	public String getActno() {
		return actno;
	}
	public void setActno(String actno) {
		this.actno = actno;
	}
	public double getBalance() {
		return balance;
	}
	public void setBalance(double balance) {
		this.balance = balance;
	}
	//取款的方法
	public void withdraw(double money){
		//t1和t2并發執行這個方法（t1和t2是兩個棧 ，兩個棧操作堆中同一個對象）
		//取款之前的余額
		double before=this.getBalance();
		//取款之后的余額
		double after=before-money;
		//模擬一下網絡延遲，會出現問題
		try {
			Thread.sleep(1000);
		} catch (InterruptedException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
		//更新余額
		//思考：t1執行到這里了，但還沒有來得及執行這行代碼，t2線程進來withdraw方法了，此時一定出問題
		this.setBalance(after);
	}}AccountThread類public class AccountThread extends Thread{
	//兩個線程必須共享一個賬戶對象
	private Account act;
	//通過構造方法傳遞過來賬戶對象
	public AccountThread(Account act) {
		this.act = act;
	}
	@Override
	public void run() {
		//假設取款5000
		double money=5000;
		//多線程執行這個方法
		act.withdraw(money);
		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"賬戶"+act.getActno()+"取款成功"+act.getBalance());
	}}

Test類

public class Test {
	public static void main(String[] args) {
		//創建賬戶對象
		Account act=new Account("act-001",10000);
		//創建兩個線程
		Thread t1=new AccountThread(act);
		Thread t2=new AccountThread(act);
		
		t1.setName("t1");
		t2.setName("t2");
		//啟動兩個線程執行
		t1.start();
		t2.start();
	}}

3.同步代碼塊synchronized

synchronized的理解

//以下這幾行代碼必須是線程排隊的，不能并發
//一個線程把這里的代碼全部執行結束后，另一個線程才能進來
/*
線程同步機制的語法是
synchronized(){
//線程同步代碼塊。
}
synchronized后面小括號中傳的這個數據是相當關鍵的，
這個數據必須是多線程共享的數據，才能達到多線程排隊。
()中寫什么？
那要看你想讓哪些線程同步
假設t1、t2、t3、t4、t5有5個線程
你只希望t1 t2 t3排隊，t4 t5不需要排隊，怎么辦
你一定要在()中寫一個t1 t2 t3共享的對象，而這個對象對于t4 t5來說不是共享的
這里的共享對象是賬戶對象
賬戶對象是共享的，this是賬戶對象
有時不一定是this,這里只要是多線程共享的那個對象就行

		synchronized(this){
			double before=this.getBalance();
			double after=before-money;
			try {
				Thread.sleep(1000);
			} catch (InterruptedException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
			this.setBalance(after);
		}

在java語言中，任何對象都有一把鎖，其實這把鎖就是一個標記，（只是把它叫做鎖）
100個對象，100個鎖，1個對象1把鎖。
以上代碼的執行原理是什么呢？
1.假設t1和t2線程并發，開始執行以上代碼的時候，肯定有一個先一個后，
2.假設t1先執行了，遇到了synchronized，這個時候自動找后面共享對象的對象鎖，找到之后，并占有這把鎖，然后執行同步代碼塊中的程序，在程序執行過程中一直都占有這把鎖，直到同步代碼塊執行結束，這把鎖才會釋放。
3.假設t1已經占有這把鎖，此時t2也遇到synchronized關鍵字，也會去占有后面共享對象的這把鎖，結果這把鎖被t1占有，t2只能在同步代碼塊外邊等待t1的結束，直到t1把同步代碼塊執行結束了，t1會歸還這把鎖，此時t2終于等到這把鎖，然后t2占有這把鎖之后，進入同步代碼塊執行程序。
這樣就達到了線程排隊執行
這里需要注意的是：這個共享對象一定要選好了，這個共享對象一定是你需要排隊執行的這些線程對象所共享的。
//對象
Object obj=new Object(); //實例變量（Account對象是多線程共享的，Account對象中的實例變量obj也是共享的）
synchronized(obj){}

括號里邊只要是共享對象就行。
Object obj2=new Object(); //局部變量
synchronized(obj2){}
這樣寫就不安全了，因為obj2是局部變量，不是共享對象。
synchronized(“abc”){}
這樣寫時可以的。存在字符串常量池中
寫"abc"的話所有線程都會同步
而如果是寫synchronized(this){}的話，我們創建了一個新的對象act2可不用共享對象。
所以最好是寫synchronized(this){}，比如你要取款，要讓其他取別的賬戶的人也要等嗎？不應該，只有同時對你這1個賬戶取款的時候，需要等待，別人取錢的時候，需要從其他賬戶中取錢，就不需要等待。

java中有三大變量的線程安全問題

實例變量，在堆中
靜態變量，在方法區
局部變量，在棧中
以上三大變量
局部變量永遠不會存在線程安全問題
因為局部變量不共享（一個線程一個棧）
局部變量在棧中，所以局部變量永遠都不會共享
實例變量在堆中，堆只有1個。
靜態變量在方法區中，方法區只有1個。
堆和方法區都是多線程共享的，所以可能存在線程安全問題。

局部變量+常量：不會有線程安全問題。
成員變量：可能會有線程安全問題。

同步代碼塊越小，效率越高。

//多線程執行這個方法//synchronized(this)//這里的this是AccountThread對象，這個對象不共享。synchronized(act){
			act.withdraw(money);
			System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"賬戶"+act.getActno()+"取款成功，余額："+act.getBalance());}

在實例方法上使用synchronized

在實例方法上可以使用synchronized嗎？可以的。
synchronized出現在實例方法上，一定鎖的是this
沒得挑，只能是this,不能是其他的對象了
所以這種方式不靈活。
另外還有一個缺點：synchronized出現在實例方法上，表示整個方法體都需要同步
可能會擴大同步的范圍，導致程序的執行效率降低。所以這種方式不常用。
synchronized使用在實例方法上有什么優點?
代碼寫的少了，節儉了。
如果共享的對象是this，并且需要同步的代碼是整個方法體，建議使用這種方式。
StringBuffer就是在每個方法上加了synchronized關鍵字

使用局部變量的話，最好使用StringBuilder
因為局部變量不存在線程安全問題，選擇StringBuilder，StringBuffer效率比較低。
ArrayList是非線程安全的。
Vector是線程安全的。
HashMap HashSet是非線程安全的。
Hashtable是線程安全的。

總結

synchronized有三種寫法：

??第一種：同步代碼塊
????靈活
??????synchronized(線程共享對象){
????????同步代碼塊;
??????}
??第二種：在實例方法上使用synchronized
??????表示共享對象一定是this
??????并且同步代碼塊是整個方法體。
??第三種：在靜態方法上使用synchronized
??????表示找類鎖。
??????類鎖永遠只有1把。
??????就算創建了100個對象，那類鎖也只有一把。

對象鎖：1個對象1把鎖，100個對象100把鎖。
類鎖：100個對象，也可能只是1把類鎖。

面試題

//面試題：doother方法的執行需不需要等待dosome方法的結束。
//不需要，因為doother方法沒有synchronized

public class exam01 {
	public static void main(String[] args) {
		MyClass mc=new MyClass();
		Thread t1=new MyThread(mc);
		Thread t2=new MyThread(mc);
		t1.setName("t1");
		t2.setName("t2");
		t1.start();
		try {
			Thread.sleep(1000);		//這個睡眠的作用是：為了保證t1線程先執行
		} catch (InterruptedException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
		t2.start();
	}}class MyThread extends Thread{
	private MyClass mc;
	public MyThread(MyClass mc) {
		super();
		this.mc = mc;
	}
	public void run(){
		if(Thread.currentThread().getName().equals("t1")){
			mc.dosome();
		}
		if(Thread.currentThread().getName().equals("t2")){
			mc.doOther();
		}
	}
	}class MyClass{
	public synchronized void dosome(){
		System.out.println("doSome begin");
		try {
			Thread.sleep(1000);
		} catch (InterruptedException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("doSome end");
	}
	public void doOther(){
		System.out.println("doOther begin");
		System.out.println("doOther end");
	}}

當在doother上面加了synchronized呢
//面試題：doother方法的執行需不需要等待dosome方法的結束。
//需要，因為doother方法沒有synchronized

	public synchronized void doOther(){
		System.out.println("doOther begin");
		System.out.println("doOther end");
	}

//面試題：doother方法的執行需不需要等待dosome方法的結束。
//不用排隊，誰也不用管誰

MyClass mc1=new MyClass();MyClass mc2=new MyClass();Thread t1=new MyThread(mc1);Thread t2=new MyThread(mc2);

//面試題：doother方法的執行需不需要等待dosome方法的結束。
//需要，因為靜態方法是類鎖，類鎖不管創建了幾個對象，類鎖只有一把

MyClass mc1=new MyClass();MyClass mc2=new MyClass();Thread t1=new MyThread(mc1);Thread t2=new MyThread(mc2);public synchronized static void dosome(){
		System.out.println("doSome begin");
		try {
			Thread.sleep(1000);
		} catch (InterruptedException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
		System.out.println("doSome end");
	}
	public synchronized static void doOther(){
		System.out.println("doOther begin");
		System.out.println("doOther end");
	}

這種鎖叫排他鎖:

4.死鎖

synchronized在開發中最好不要嵌套使用，一不小心就可能導致死鎖。
死鎖代碼要會寫。
一般面試官要求你會寫
只有會寫的，才會在以后的開發中注意這個事兒
因為死鎖很難調試。

public class DeadLock {
	public static void main(String[] args) {
		Object o1=new Object();
		Object o2=new Object();
		//t1線程和t2線程共享o1,o2
		Thread t1=new MyThread1(o1,o2);
		Thread t2=new MyThread2(o1,o2);
		t1.start();
		t2.start();
	}}class MyThread1 extends Thread{
	Object o1;
	Object o2;
	public MyThread1(Object o1,Object o2){
		this.o1=o1;
		this.o2=o2;
	}
	@Override
	public void run() {
		synchronized (o1) {
			try {
				Thread.sleep(1000);
			} catch (InterruptedException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
			synchronized (o2) {
				
			}
		}
	}}class MyThread2 extends Thread{
	Object o1;
	Object o2;
	public MyThread2(Object o1,Object o2){
		this.o1=o1;
		this.o2=o2;
	}
	@Override
	public void run() {
		synchronized (o2) {
			try {
				Thread.sleep(1000);
			} catch (InterruptedException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
			synchronized (o1) {
				
			}
		}
	}}

5.開發中應該怎么解決線程安全問題

聊一聊，我們以后開發中應該怎么解決線程安全問題？
??是一上來就選擇線程同步嗎？synchronized
??不是，synchronized會讓程序的執行效率降低，用戶體驗不好。
??系統的用戶吞吐量降低。用戶體驗差。在不得已的情況下再選擇
??線程同步機制。
??第一種方案：盡量使用局部變量代替“實例變量和靜態變量”。
??第二種方案：如果必須是實例變量，那么可以考慮創建多個對象，這樣實例變量的內存就不共享了。（一個線程對應1個對象，100個線程對應100個對象，對象不共享，就沒有數據安全問題了。）
??第三種方案：如果不能使用局部變量，對象也不能創建多個，這個時候就只能選擇synchronized了。線程同步機制。
線程這塊還有那些內容呢？列舉一下
7.1、守護線程
7.2、定時器
7.3、實現線程的第三種方式：FutureTask方式，實現Callable接口。（JDK8新特性。）
7.4、關于Object類中的wait和notify方法。（生產者和消費者模式！）

6.守護線程

守護線程
java語言中線程分為兩大類：
??一類是：用戶線程
??一類是：守護線程（后臺線程）
其中具有代表性的就是：垃圾回收線程（守護線程）。
??守護線程的特點：
??一般守護線程是一個死循環，所有的用戶線程只要結束，
??守護線程自動結束。
??注意：主線程main方法是一個用戶線程。
??守護線程用在什么地方呢？
??每天00:00的時候系統數據自動備份。
??這個需要使用到定時器，并且我們可以將定時器設置為守護線程。
??一直在那里看著，沒到00:00的時候就備份一次。所有的用戶線程如果結束了，守護線程自動退出，沒有必要進行數據備份了。

package testThread;/*
實現守護線程
 * */
	public class ThreadTest13 {

	public static void main(String[] args) {
		// TODO Auto-generated method stub
		Thread t=new BakDataThread();
		t.setName("備份數據的線程");
		//啟動之前，將線程設置為守護線程
		t.setDaemon(true);
		t.start();
		//主線程：主線程是用戶線程
		for(int i=0;i<10;i++){
			System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"---->"+i);
			try {
				Thread.sleep(1000);
			} catch (Exception e) {
				// TODO: handle exception
			}
		}
	}}class BakDataThread extends Thread{
	@Override
	public void run() {
		int i=0;
		//即使是死循環，但由于該線程是守護者，當用戶線程結束，守護線程自動終止
		while(true){
			System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"---->"+(++i));
			try {
				Thread.sleep(1000);
			} catch (Exception e) {
				// TODO: handle exception
			}
			
		}
	}}

7.定時器

定時器的作用：
??間隔特定的時間，執行特定的程序。
??每周要進行銀行賬戶的總賬操作。
??每天要進行數據的備份操作。
??在實際的開發中，每隔多久執行一段特定的程序，這種需求是很常見的，
那么在java中其實可以采用多種方式實現：
??可以使用sleep方法，睡眠，設置睡眠時間，沒到這個時間點醒來，執行任務。這種方式是最原始的定時器。（比較low）
??在java的類庫中已經寫好了一個定時器：java.util.Timer，可以直接拿來用。不過，這種方式在目前的開發中也很少用，因為現在有很多高級框架都是支持定時任務的。

??在實際的開發中，目前使用較多的是Spring框架中提供的SpringTask框架，這個框架只要進行簡單的配置，就可以完成定時器的任務。

8.實現線程的第三種方式：實現Callable接口

實現線程的第三種方式：實現Callable接口。（JDK8新特性。）
這種方式實現的線程可以獲取線程的返回值。
之前講解的那兩種方式是無法獲取線程返回值的，因為run方法返回void。
思考：
系統委派一個線程去執行一個任務，該線程執行完任務之后，可能會有一個執行結果，我們怎么能拿到這個執行結果呢？
使用第三種方式：實現Callable接口方式。

public class ThreadTest14 {
	public static void main(String[] args) throws Exception, ExecutionException {
		//第一步：創建一個未來任務類對象
		//參數非常重要，需要給一個callable接口的實現類對象
		FutureTask task=new FutureTask(new Callable(){
			@Override
			//call方法相當于是run方法，只不過這個有返回值，線程執行一個任務，執行之后可能會有一個執行結果。
			public Object call() throws Exception {
				System.out.println("call method begin");
				Thread.sleep(1000);
				System.out.println("call method begin");
				int a=100;
				int b=200;
				return a+b;			//自動裝箱
			}		
		});
		//創建線程對象
		Thread t=new Thread(task);
		
		//啟動線程
		t.start();
		
		//這里是main方法，這是在主線程中
		//在線程中，怎么獲取t線程的執行結果
		//get方法的執行會導致當前線程阻塞
		Object obj=task.get();
		System.out.println("線程執行結果"+obj);
		//main方法這里的程序要想執行必須等待get()方法的結束
		//而get方法可能需要很久。因為get()方法是為了拿另一個線程的執行結果。
		//另一個線程的執行是需要時間的
		System.out.println("hello,world");
	}}

這種方式的優點：可以獲取到線程的執行結果
這種方式的缺點：效率比較低，在獲取t線程執行結果的時候，當前線程受阻塞，效率較低。

9.Object類中的wait和notify方法

（生產者和消費者模式！）
??第一：wait和notify方法不是線程對象的方法，是java中任何一個java對象都有的方法，因為這兩個方式是Object類中自帶的。
??wait方法和notify方法不是通過線程對象調用，
??不是這樣的：t.wait()，也不是這樣的：t.notify()…不對。
??第二：wait()方法作用？
????Object o = new Object();
????o.wait();
??表示：
??讓正在o對象上活動的線程進入等待狀態，無期限等待，直到被喚醒為止。
??o.wait();方法的調用，會讓“當前線程（正在o對象上活動的線程）”進入等待狀態。
??第三：notify()方法作用？
????Object o = new Object();
????o.notify();
??表示：
??喚醒正在o對象上等待的線程。
??還有一個notifyAll()方法：
??這個方法是喚醒o對象上處于等待的所有線程。

10.生產者和消費者

1.使用wait方法和notify方法實現生產者和消費者模式
2.什么是生產者和消費者模式？
生產線程負責生產，消費線程負責消費
生產線程和消費線程要達到均衡
這是一種特殊的業務需求，在這種特殊的情況下需要使用wait方法和notify方法
3.wait和notify方法不是線程對象的方法，是普通java對象都有的方法
4.wait方法和notify方法是建立在線程同步的基礎之上。因為多線程要同時操作一個倉庫，有線程安全問題
5.wait方法作用：o.wait()讓正在o對象上活動的線程t進入等待狀態，并且釋放掉t線程之前占有的o對象的鎖
6.notify方法的作用：o.notify()讓正在o對象上等待的線程喚醒，只是5通知，不會釋放o對象上之前占有的鎖
7.模擬這樣一個需求：
倉庫我們采用list集合
list集合中假設只能存儲1個元素
1個元素就表示倉庫滿了
如果list集合中的元素個數是0，就表示倉庫空了。
保證list集合中永遠都是最多存儲1個元素
必須做到這種效果，生產1個消費1個。

public class ThreadTest15 {
	public static void main(String[] args) {
		//創建一個倉庫獨享，共享的
		List list=new ArrayList();
		//創建兩個線程對象
		//生產者線程
		Thread t1=new Thread(new Producer(list));
		//消費者線程
		Thread t2=new Thread(new Consumer(list));
		t1.setName("生產者線程");
		t2.setName("消費者線程");
		t1.start();
		t2.start();
	}}//生產線程class Producer implements Runnable{
	//倉庫
	private List list;
	public Producer(List list) {
		this.list = list;
	}
	public void run() {
		//一直生產
		while(true){
			//給倉庫對象list加鎖
			synchronized (list) {
				if(list.size()>0){	//大于0說明倉庫中已經有1個元素了
					//當前線程進入等待狀態，并且釋放list集合的鎖
					try {
						list.wait();
					} catch (InterruptedException e) {
						// TODO Auto-generated catch block
						e.printStackTrace();
					}
				}
				//程序能夠執行到這里說明倉庫是空的，可以生產
				Object obj =new Object();
				list.add(obj);
				System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"---->"+obj);
				//喚醒消費者進行消費
				list.notifyAll();
			}
			
		}
	}}//消費線程class Consumer implements Runnable{
	//倉庫
	private List list;
	public Consumer(List list) {
		this.list = list;
	}
	public void run() {
		//一直消費
		while(true){
			//給倉庫對象list加鎖
			synchronized (list) {
				if(list.size()==0){	//倉里已經空了
					try {
						//倉庫已經空了
						//消費者線程等待，并釋放掉list集合鎖
						list.wait();
					} catch (InterruptedException e) {
						// TODO Auto-generated catch block
						e.printStackTrace();
					}
				}
			}
			Object obj=list.remove(0);
			System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"---->"+obj);
			//喚醒生產者生產
			list.notifyAll();
		}
	}}

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