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java线程安全问题及解决

9月前 作者：我是小水水啊 分类：Toy博客 阅读(36) 违法举报

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了java线程安全问题及解决。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

为什么有线程问题

当我们使用多个线程访问同一资源（可以是同一个变量、同一个文件、同一条记录等）的时候，若多个线程只有读操作，那么不会发生线程安全问题。但是如果多个线程中对资源有读和写的操作，就容易出现线程安全问题。

案例：
火车站要卖票，我们模拟火车站的卖票过程。因为疫情期间，本次列车的座位共100个（即，只能出售100张火车票）。我们来模拟车站的售票窗口，实现多个窗口同时售票的过程。注意：不能出现错票、重票。

1.静态变量是共享的

class TicketSaleThread extends Thread {
    private static int ticket = 100;

    public void run() {
        while (ticket > 0) {
            try {
                Thread.sleep(10);//加入这个，使得问题暴露的更明显
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
            ticket--;
        }
    }
}

public class SaleTicketDemo3 {
    public static void main(String[] args) {
        TicketSaleThread t1 = new TicketSaleThread();
        TicketSaleThread t2 = new TicketSaleThread();
        TicketSaleThread t3 = new TicketSaleThread();

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

2.抽取资源类，共享同一个资源对象

class TicketSaleRunnable implements Runnable {
    private int ticket = 100;

    public void run() {
        while (ticket > 0) {
            try {
                Thread.sleep(10);//加入这个，使得问题暴露的更明显
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
            ticket--;
        }
    }
}

public class SaleTicketDemo4 {
    public static void main(String[] args) {
        TicketSaleRunnable tr = new TicketSaleRunnable();
        Thread t1 = new Thread(tr, "窗口一");
        Thread t2 = new Thread(tr, "窗口二");
        Thread t3 = new Thread(tr, "窗口三");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

但是线程还是不安全，有重复票或负数票问题。

同步机制解决线程安全问题

要解决上述多线程并发访问一个资源的安全性问题:也就是解决重复票与不存在票问题，Java中提供了同步机制
(synchronized)来解决。

同步代码块和同步方法:
同步代码块：synchronized 关键字可以用于某个区块前面，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。
格式:

synchronized(同步锁){
     需要同步操作的代码
}

同步方法:synchronized 关键字直接修饰方法，表示同一时刻只有一个线程能进入这个方法，其他线程在外面等着。

public synchronized void method(){
    可能会产生线程安全问题的代码
}

代码演示:
示例一：静态方法加锁

class TicketSaleThread extends Thread{
    private static int ticket = 100;
    public void run(){//直接锁这里，肯定不行，会导致，只有一个窗口卖票
        while (ticket > 0) {
            saleOneTicket();
        }
    }

    public synchronized static void saleOneTicket(){//锁对象是TicketSaleThread类的Class对象，而一个类的Class对象在内存中肯定只有一个
        if(ticket > 0) {//不加条件，相当于条件判断没有进入锁管控，线程安全问题就没有解决
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
            ticket--;
        }
    }
}
public class SaleTicketDemo3 {
    public static void main(String[] args) {
        TicketSaleThread t1 = new TicketSaleThread();
        TicketSaleThread t2 = new TicketSaleThread();
        TicketSaleThread t3 = new TicketSaleThread();

        t1.setName("窗口1");
        t2.setName("窗口2");
        t3.setName("窗口3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

示例二：非静态方法加锁

public class SaleTicketDemo4 {
    public static void main(String[] args) {
        TicketSaleRunnable tr = new TicketSaleRunnable();
        Thread t1 = new Thread(tr, "窗口一");
        Thread t2 = new Thread(tr, "窗口二");
        Thread t3 = new Thread(tr, "窗口三");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

class TicketSaleRunnable implements Runnable {
    private int ticket = 100;

    public void run() {//直接锁这里，肯定不行，会导致，只有一个窗口卖票
        while (ticket > 0) {
            saleOneTicket();
        }
    }

    public synchronized void saleOneTicket() {//锁对象是this，这里就是TicketSaleRunnable对象，因为上面3个线程使用同一个TicketSaleRunnable对象，所以可以
        if (ticket > 0) {//不加条件，相当于条件判断没有进入锁管控，线程安全问题就没有解决
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
            ticket--;
        }
    }
}

示例三：同步代码块,synchronized传的对象必须唯一

public class SaleTicketDemo5 {
    public static void main(String[] args) {
        //2、创建资源对象
        Ticket ticket = new Ticket();

        //3、启动多个线程操作资源类的对象
        Thread t1 = new Thread("窗口一") {
            public void run() {//不能给run()直接加锁，因为t1,t2,t3的三个run方法分别属于三个Thread类对象，
                // run方法是非静态方法，那么锁对象默认选this，那么锁对象根本不是同一个
                while (true) {
                    synchronized (ticket) {
                        ticket.sale();
                    }
                }
            }
        };
        Thread t2 = new Thread("窗口二") {
            public void run() {
                while (true) {
                    synchronized (ticket) {
                        ticket.sale();
                    }
                }
            }
        };
        Thread t3 = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                while (true) {
                    synchronized (ticket) {
                        ticket.sale();
                    }
                }
            }
        }, "窗口三");


        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

//1、编写资源类
class Ticket {
    private int ticket = 1000;

    public void sale() {//也可以直接给这个方法加锁，锁对象是this，这里就是Ticket对象
        if (ticket > 0) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "卖出一张票，票号:" + ticket);
            ticket--;
        } else {
            throw new RuntimeException("没有票了");
        }
    }

    public int getTicket() {
        return ticket;
    }
}

例题：使用两个线程打印 1-100。线程1, 线程2 交替打印

class Communication implements Runnable {
    int i = 1;
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (this) {
                notify();
                if (i <= 100) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + i++);
                } else
                    break;
                try {
                    wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

调用wait和notify需注意的细节

  1. wait方法与notify方法必须要由同一个锁对象调用。因为：对应的锁对象可以通过notify唤醒使用同一个锁对象调用的wait方法后的线程。
  2. wait方法与notify方法是属于Object类的方法的。因为：锁对象可以是任意对象，而任意对象的所属类都是继承了Object类的。
  3. wait方法与notify方法必须要在同步代码块或者是同步函数中使用。因为：必须要通过锁对象调用这2个方法。否则会报java.lang.IllegalMonitorStateException异常。

单例设计模式的线程安全问题

饿汉式：在类初始化时就直接创建单例对象，而类初始化过程是没有线程安全问题的

public class HungrySingle {
    private static HungrySingle INSTANCE = new HungrySingle(); //对象是否声明为final 都可以
    
    private HungrySingle(){}
    
    public static HungrySingle getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}

public class HungrySingleTest {

    static HungrySingle hs1 = null;
    static HungrySingle hs2 = null;

    //演示存在的线程安全问题
    public static void main(String[] args) {

        Thread t1 = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                hs1 = HungrySingle.getInstance();
            }
        };

        Thread t2 = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                hs2 = HungrySingle.getInstance();
            }
        };

        t1.start();
        t2.start();
        // 如果没有join t1 和 t2  都是null 值
        try {
            t1.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        try {
            t2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(hs1);
        System.out.println(hs2);
        System.out.println(hs1 == hs2);//true
    }

}

懒汉式线程安全问题
懒汉式：延迟创建对象，第一次调用getInstance方法再创建对象

public class LazyOne {
    private static LazyOne instance;

    private LazyOne(){}

    //方式1：
    public static synchronized LazyOne getInstance1(){
        if(instance == null){
            instance = new LazyOne();
        }
        return instance;
    }
    //方式2：
    public static LazyOne getInstance2(){
        synchronized(LazyOne.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new LazyOne();
            }
            return instance;
        }
    }
    //方式3：
    public static LazyOne getInstance3(){
        if(instance == null){
            synchronized (LazyOne.class) {
                try {
                    Thread.sleep(10);//加这个代码，暴露问题
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                if(instance == null){
                    instance = new LazyOne();
                }
            }
        }

        return instance;
    }
    /*
    注意：上述方式3中，有指令重排问题
    mem = allocate(); 为单例对象分配内存空间
    instance = mem;   instance引用现在非空，但还未初始化
    ctorSingleton(instance); 为单例对象通过instance调用构造器
    从JDK2开始，分配空间、初始化、调用构造器会在线程的工作存储区一次性完成，然后复制到主存储区。但是需要   
    volatile关键字，避免指令重排。
    */
    
}

形式二：使用内部类

public class LazySingle {
    private LazySingle(){}
    
    public static LazySingle getInstance(){
        return Inner.INSTANCE;
    }
    
    private static class Inner{
        static final LazySingle INSTANCE = new LazySingle();
    }
    
}

内部类只有在外部类被调用才加载，产生INSTANCE实例；又不用加锁。
此模式具有之前两个模式的优点，同时屏蔽了它们的缺点，是最好的单例模式。
此时的内部类，使用enum进行定义，也是可以的。

JDK5.0新特性：Lock(锁)

  • JDK5.0的新增功能，保证线程的安全。与采用synchronized相比，Lock可提供多种锁方案，更灵活、更强大。Lock通过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用Lock对象充当。

  • java.util.concurrent.locks.Lock接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。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。

  • 在实现线程安全的控制中，比较常用的是ReentrantLock，可以显式加锁、释放锁。

    • ReentrantLock类实现了 Lock 接口，它拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义，但是添加了类似锁投票、定时锁等候和可中断锁等候的一些特性。此外，它还提供了在激烈争用情况下更佳的性能。

  • Lock锁也称同步锁，加锁与释放锁方法，如下：

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

代码结构:

class A{
    //1. 创建Lock的实例，必须确保多个线程共享同一个Lock实例
	private final ReentrantLock lock = new ReenTrantLock();
	public void m(){
        //2. 调动lock()，实现需共享的代码的锁定
		lock.lock();
		try{
			//保证线程安全的代码;
		}
		finally{
            //3. 调用unlock()，释放共享代码的锁定
			lock.unlock();  
		}
	}
}

注意：如果同步代码有异常，要将unlock()写入finally语句块。

class Window implements Runnable{
	int ticket = 100;
    //1. 创建Lock的实例，必须确保多个线程共享同一个Lock实例
	private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
	public void run(){
		
		while(true){
			try{
                //2. 调动lock()，实现需共享的代码的锁定
				lock.lock();
				if(ticket > 0){
					try {
						Thread.sleep(10);
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
					System.out.println(ticket--);
				}else{
					break;
				}
			}finally{
                //3. 调用unlock()，释放共享代码的锁定
				lock.unlock();
			}
		}
	}
}

public class ThreadLock {
	public static void main(String[] args) {
		Window t = new Window();
		Thread t1 = new Thread(t);
		Thread t2 = new Thread(t);
		
		t1.start();
		t2.start();
	}
}

synchronized与Lock的对比

  1. Lock是显式锁（手动开启和关闭锁，别忘记关闭锁），synchronized是隐式锁，出了作用域、遇到异常等自动解锁
  2. Lock只有代码块锁，synchronized有代码块锁和方法锁
  3. 使用Lock锁，JVM将花费较少的时间来调度线程，性能更好。并且具有更好的扩展性（提供更多的子类），更体现面向对象。
  4. Lock锁可以对读不加锁，对写加锁，synchronized不可以
  5. Lock锁可以有多种获取锁的方式，可以从sleep的线程中抢到锁，synchronized不可以

说明：开发建议中处理线程安全问题优先使用顺序为：

• Lock ----> 同步代码块 ----> 同步方法

同步操作的思考顺序

1、如何找问题，即代码是否存在线程安全？（非常重要）
（1）明确哪些代码是多线程运行的代码
（2）明确多个线程是否有共享数据
（3）明确多线程运行代码中是否有多条语句操作共享数据

2、如何解决呢？（非常重要）
对多条操作共享数据的语句，只能让一个线程都执行完，在执行过程中，其他线程不可以参与执行。
即所有操作共享数据的这些语句都要放在同步范围中

3、切记：

范围太小：不能解决安全问题

范围太大：因为一旦某个线程抢到锁，其他线程就只能等待，所以范围太大，效率会降低，不能合理利用CPU资源。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-612781.html

到了这里，关于java线程安全问题及解决的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！

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