从零开始学习 Java：简单易懂的入门指南之线程同步（三十五）

1.线程同步

1.1卖票【应用】

• 案例需求

  某电影院目前正在上映国产大片，共有100张票，而它有3个窗口卖票，请设计一个程序模拟该电影院卖票

• 实现步骤

  • 定义一个类SellTicket实现Runnable接口，里面定义一个成员变量：private int tickets = 100;

  • 在SellTicket类中重写run()方法实现卖票，代码步骤如下

  • 判断票数大于0，就卖票，并告知是哪个窗口卖的

  • 卖了票之后，总票数要减1

  • 票卖没了，线程停止

  • 定义一个测试类SellTicketDemo，里面有main方法，代码步骤如下

  • 创建SellTicket类的对象

  • 创建三个Thread类的对象，把SellTicket对象作为构造方法的参数，并给出对应的窗口名称

  • 启动线程

• 代码实现

  public class SellTicket implements Runnable {
      private int tickets = 100;
      //在SellTicket类中重写run()方法实现卖票，代码步骤如下
      @Override
      public void run() {
          while (true) {
              if(ticket <= 0){
                      //卖完了
                      break;
                  }else{
                      try {
                          Thread.sleep(100);
                      } catch (InterruptedException e) {
                          e.printStackTrace();
                      }
                      ticket--;
                      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "在卖票,还剩下" + ticket + "张票");
                  }
          }
      }
  }
  public class SellTicketDemo {
      public static void main(String[] args) {
          //创建SellTicket类的对象
          SellTicket st = new SellTicket();
  
          //创建三个Thread类的对象，把SellTicket对象作为构造方法的参数，并给出对应的窗口名称
          Thread t1 = new Thread(st,"窗口1");
          Thread t2 = new Thread(st,"窗口2");
          Thread t3 = new Thread(st,"窗口3");
  
          //启动线程
          t1.start();
          t2.start();
          t3.start();
      }
  }
  

1.2卖票案例的问题

• 卖票出现了问题

  • 相同的票出现了多次

  • 出现了负数的票

• 问题产生原因

  线程执行的随机性导致的,可能在卖票过程中丢失cpu的执行权,导致出现问题

1.3同步代码块解决数据安全问题【应用】

• 安全问题出现的条件

  • 是多线程环境

  • 有共享数据

  • 有多条语句操作共享数据

• 如何解决多线程安全问题呢?

  • 基本思想：让程序没有安全问题的环境

• 怎么实现呢?

  • 把多条语句操作共享数据的代码给锁起来，让任意时刻只能有一个线程执行即可

  • Java提供了同步代码块的方式来解决

• 同步代码块格式：

  synchronized(任意对象) { 
  	多条语句操作共享数据的代码 
  }
  

  synchronized(任意对象)：就相当于给代码加锁了，任意对象就可以看成是一把锁

• 同步的好处和弊端

  • 好处：解决了多线程的数据安全问题

  • 弊端：当线程很多时，因为每个线程都会去判断同步上的锁，这是很耗费资源的，无形中会降低程序的运行效率

• 代码演示

  public class SellTicket implements Runnable {
      private int tickets = 100;
      private Object obj = new Object();
  
      @Override
      public void run() {
          while (true) {
              synchronized (obj) { // 对可能有安全问题的代码加锁,多个线程必须使用同一把锁
                  //t1进来后，就会把这段代码给锁起来
                  if (tickets > 0) {
                      try {
                          Thread.sleep(100);
                          //t1休息100毫秒
                      } catch (InterruptedException e) {
                          e.printStackTrace();
                      }
                      //窗口1正在出售第100张票
                      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "正在出售第" + tickets + "张票");
                      tickets--; //tickets = 99;
                  }
              }
              //t1出来了，这段代码的锁就被释放了
          }
      }
  }
  
  public class SellTicketDemo {
      public static void main(String[] args) {
          SellTicket st = new SellTicket();
  
          Thread t1 = new Thread(st, "窗口1");
          Thread t2 = new Thread(st, "窗口2");
          Thread t3 = new Thread(st, "窗口3");
  
          t1.start();
          t2.start();
          t3.start();
      }
  }
  

1.4同步方法解决数据安全问题【应用】

• 同步方法的格式

  同步方法：就是把synchronized关键字加到方法上

  修饰符 synchronized 返回值类型 方法名(方法参数) { 
  	方法体；
  }
  

  同步方法的锁对象是什么呢?

  ​ this

• 静态同步方法

  同步静态方法：就是把synchronized关键字加到静态方法上

  修饰符 static synchronized 返回值类型 方法名(方法参数) { 
  	方法体；
  }
  

  同步静态方法的锁对象是什么呢?

  ​ 类名.class

• 代码演示

  public class MyRunnable implements Runnable {
      private static int ticketCount = 100;
  
      @Override
      public void run() {
          while(true){
              if("窗口一".equals(Thread.currentThread().getName())){
                  //同步方法
                  boolean result = synchronizedMthod();
                  if(result){
                      break;
                  }
              }
  
              if("窗口二".equals(Thread.currentThread().getName())){
                  //同步代码块
                  synchronized (MyRunnable.class){
                      if(ticketCount == 0){
                         break;
                      }else{
                          try {
                              Thread.sleep(10);
                          } catch (InterruptedException e) {
                              e.printStackTrace();
                          }
                          ticketCount--;
                          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "在卖票,还剩下" + ticketCount + "张票");
                      }
                  }
              }
  
          }
      }
  
      private static synchronized boolean synchronizedMthod() {
          if(ticketCount == 0){
              return true;
          }else{
              try {
                  Thread.sleep(10);
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
              ticketCount--;
              System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "在卖票,还剩下" + ticketCount + "张票");
              return false;
          }
      }
  }
  

  public class Demo {
      public static void main(String[] args) {
          MyRunnable mr = new MyRunnable();

          Thread t1 = new Thread(mr);
          Thread t2 = new Thread(mr);
    
          t1.setName("窗口一");
          t2.setName("窗口二");
    
          t1.start();
          t2.start();
      }

  }

1.5Lock锁【应用】

虽然我们可以理解同步代码块和同步方法的锁对象问题，但是我们并没有直接看到在哪里加上了锁，在哪里释放了锁，为了更清晰的表达如何加锁和释放锁，JDK5以后提供了一个新的锁对象Lock

Lock是接口不能直接实例化，这里采用它的实现类ReentrantLock来实例化

• ReentrantLock构造方法

  方法名	说明
  ReentrantLock()	创建一个ReentrantLock的实例

• 加锁解锁方法

  方法名	说明
  void lock()	获得锁
  void unlock()	释放锁

• 代码演示

  public class Ticket implements Runnable {
      //票的数量
      private int ticket = 100;
      private Object obj = new Object();
      private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
  
      @Override
      public void run() {
          while (true) {
              //synchronized (obj){//多个线程必须使用同一把锁.
              try {
                  lock.lock();
                  if (ticket <= 0) {
                      //卖完了
                      break;
                  } else {
                      Thread.sleep(100);
                      ticket--;
                      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "在卖票,还剩下" + ticket + "张票");
                  }
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              } finally {
                  lock.unlock();
              }
              // }
          }
      }
  }
  
  public class Demo {
      public static void main(String[] args) {
          Ticket ticket = new Ticket();
  
          Thread t1 = new Thread(ticket);
          Thread t2 = new Thread(ticket);
          Thread t3 = new Thread(ticket);
  
          t1.setName("窗口一");
          t2.setName("窗口二");
          t3.setName("窗口三");
  
          t1.start();
          t2.start();
          t3.start();
      }
  }
  

1.6死锁

• 概述

  线程死锁是指由于两个或者多个线程互相持有对方所需要的资源，导致这些线程处于等待状态，无法前往执行

• 什么情况下会产生死锁

  1. 资源有限
  2. 同步嵌套

• 代码演示

  public class Demo {
      public static void main(String[] args) {
          Object objA = new Object();
          Object objB = new Object();
  
          new Thread(()->{
              while(true){
                  synchronized (objA){
                      //线程一
                      synchronized (objB){
                          System.out.println("小康同学正在走路");
                      }
                  }
              }
          }).start();
  
          new Thread(()->{
              while(true){
                  synchronized (objB){
                      //线程二
                      synchronized (objA){
                          System.out.println("小薇同学正在走路");
                      }
                  }
              }
          }).start();
      }
  }
  

2.生产者消费者

2.1生产者和消费者模式概述【应用】

• 概述

  生产者消费者模式是一个十分经典的多线程协作的模式，弄懂生产者消费者问题能够让我们对多线程编程的理解更加深刻。

  所谓生产者消费者问题，实际上主要是包含了两类线程：

  ​ 一类是生产者线程用于生产数据

  ​ 一类是消费者线程用于消费数据

  为了解耦生产者和消费者的关系，通常会采用共享的数据区域，就像是一个仓库

  生产者生产数据之后直接放置在共享数据区中，并不需要关心消费者的行为

  消费者只需要从共享数据区中去获取数据，并不需要关心生产者的行为

• Object类的等待和唤醒方法

  方法名	说明
  void wait()	导致当前线程等待，直到另一个线程调用该对象的 notify()方法或 notifyAll()方法
  void notify()	唤醒正在等待对象监视器的单个线程
  void notifyAll()	唤醒正在等待对象监视器的所有线程

2.2生产者和消费者案例【应用】

• 案例需求

  • 桌子类(Desk)：定义表示包子数量的变量,定义锁对象变量,定义标记桌子上有无包子的变量

  • 生产者类(Cooker)：实现Runnable接口，重写run()方法，设置线程任务

    1.判断是否有包子,决定当前线程是否执行

    2.如果有包子,就进入等待状态,如果没有包子,继续执行,生产包子

    3.生产包子之后,更新桌子上包子状态,唤醒消费者消费包子

  • 消费者类(Foodie)：实现Runnable接口，重写run()方法，设置线程任务

    1.判断是否有包子,决定当前线程是否执行

    2.如果没有包子,就进入等待状态,如果有包子,就消费包子

    3.消费包子后,更新桌子上包子状态,唤醒生产者生产包子

  • 测试类(Demo)：里面有main方法，main方法中的代码步骤如下

    创建生产者线程和消费者线程对象

    分别开启两个线程

• 代码实现

  public class Desk {
  
      //定义一个标记
      //true 就表示桌子上有汉堡包的,此时允许吃货执行
      //false 就表示桌子上没有汉堡包的,此时允许厨师执行
      public static boolean flag = false;
  
      //汉堡包的总数量
      public static int count = 10;
  
      //锁对象
      public static final Object lock = new Object();
  }
  
  public class Cooker extends Thread {
  //    生产者步骤：
  //            1，判断桌子上是否有汉堡包
  //    如果有就等待，如果没有才生产。
  //            2，把汉堡包放在桌子上。
  //            3，叫醒等待的消费者开吃。
      @Override
      public void run() {
          while(true){
              synchronized (Desk.lock){
                  if(Desk.count == 0){
                      break;
                  }else{
                      if(!Desk.flag){
                          //生产
                          System.out.println("厨师正在生产汉堡包");
                          Desk.flag = true;
                          Desk.lock.notifyAll();
                      }else{
                          try {
                              Desk.lock.wait();
                          } catch (InterruptedException e) {
                              e.printStackTrace();
                          }
                      }
                  }
              }
          }
      }
  }
  
  public class Foodie extends Thread {
      @Override
      public void run() {
  //        1，判断桌子上是否有汉堡包。
  //        2，如果没有就等待。
  //        3，如果有就开吃
  //        4，吃完之后，桌子上的汉堡包就没有了
  //                叫醒等待的生产者继续生产
  //        汉堡包的总数量减一
  
          //套路:
              //1. while(true)死循环
              //2. synchronized 锁,锁对象要唯一
              //3. 判断,共享数据是否结束. 结束
              //4. 判断,共享数据是否结束. 没有结束
          while(true){
              synchronized (Desk.lock){
                  if(Desk.count == 0){
                      break;
                  }else{
                      if(Desk.flag){
                          //有
                          System.out.println("吃货在吃汉堡包");
                          Desk.flag = false;
                          Desk.lock.notifyAll();
                          Desk.count--;
                      }else{
                          //没有就等待
                          //使用什么对象当做锁,那么就必须用这个对象去调用等待和唤醒的方法.
                          try {
                              Desk.lock.wait();
                          } catch (InterruptedException e) {
                              e.printStackTrace();
                          }
                      }
                  }
              }
          }
  
      }
  }
  
  public class Demo {
      public static void main(String[] args) {
          /*消费者步骤：
          1，判断桌子上是否有汉堡包。
          2，如果没有就等待。
          3，如果有就开吃
          4，吃完之后，桌子上的汉堡包就没有了
                  叫醒等待的生产者继续生产
          汉堡包的总数量减一*/
  
          /*生产者步骤：
          1，判断桌子上是否有汉堡包
          如果有就等待，如果没有才生产。
          2，把汉堡包放在桌子上。
          3，叫醒等待的消费者开吃。*/
  
          Foodie f = new Foodie();
          Cooker c = new Cooker();
  
          f.start();
          c.start();
  
      }
  }
  

2.3生产者和消费者案例优化【应用】

• 需求

  • 将Desk类中的变量,采用面向对象的方式封装起来
  • 生产者和消费者类中构造方法接收Desk类对象,之后在run方法中进行使用
  • 创建生产者和消费者线程对象,构造方法中传入Desk类对象
  • 开启两个线程

• 代码实现

  public class Desk {
  
      //定义一个标记
      //true 就表示桌子上有汉堡包的,此时允许吃货执行
      //false 就表示桌子上没有汉堡包的,此时允许厨师执行
      //public static boolean flag = false;
      private boolean flag;
  
      //汉堡包的总数量
      //public static int count = 10;
      //以后我们在使用这种必须有默认值的变量
     // private int count = 10;
      private int count;
  
      //锁对象
      //public static final Object lock = new Object();
      private final Object lock = new Object();
  
      public Desk() {
          this(false,10); // 在空参内部调用带参,对成员变量进行赋值,之后就可以直接使用成员变量了
      }
  
      public Desk(boolean flag, int count) {
          this.flag = flag;
          this.count = count;
      }
  
      public boolean isFlag() {
          return flag;
      }
  
      public void setFlag(boolean flag) {
          this.flag = flag;
      }
  
      public int getCount() {
          return count;
      }
  
      public void setCount(int count) {
          this.count = count;
      }
  
      public Object getLock() {
          return lock;
      }
  
      @Override
      public String toString() {
          return "Desk{" +
                  "flag=" + flag +
                  ", count=" + count +
                  ", lock=" + lock +
                  '}';
      }
  }
  
  public class Cooker extends Thread {
  
      private Desk desk;
  
      public Cooker(Desk desk) {
          this.desk = desk;
      }
  //    生产者步骤：
  //            1，判断桌子上是否有汉堡包
  //    如果有就等待，如果没有才生产。
  //            2，把汉堡包放在桌子上。
  //            3，叫醒等待的消费者开吃。
  
      @Override
      public void run() {
          while(true){
              synchronized (desk.getLock()){
                  if(desk.getCount() == 0){
                      break;
                  }else{
                      //System.out.println("验证一下是否执行了");
                      if(!desk.isFlag()){
                          //生产
                          System.out.println("厨师正在生产汉堡包");
                          desk.setFlag(true);
                          desk.getLock().notifyAll();
                      }else{
                          try {
                              desk.getLock().wait();
                          } catch (InterruptedException e) {
                              e.printStackTrace();
                          }
                      }
                  }
              }
          }
      }
  }
  
  public class Foodie extends Thread {
      private Desk desk;
  
      public Foodie(Desk desk) {
          this.desk = desk;
      }
  
      @Override
      public void run() {
  //        1，判断桌子上是否有汉堡包。
  //        2，如果没有就等待。
  //        3，如果有就开吃
  //        4，吃完之后，桌子上的汉堡包就没有了
  //                叫醒等待的生产者继续生产
  //        汉堡包的总数量减一
  
          //套路:
              //1. while(true)死循环
              //2. synchronized 锁,锁对象要唯一
              //3. 判断,共享数据是否结束. 结束
              //4. 判断,共享数据是否结束. 没有结束
          while(true){
              synchronized (desk.getLock()){
                  if(desk.getCount() == 0){
                      break;
                  }else{
                      //System.out.println("验证一下是否执行了");
                      if(desk.isFlag()){
                          //有
                          System.out.println("吃货在吃汉堡包");
                          desk.setFlag(false);
                          desk.getLock().notifyAll();
                          desk.setCount(desk.getCount() - 1);
                      }else{
                          //没有就等待
                          //使用什么对象当做锁,那么就必须用这个对象去调用等待和唤醒的方法.
                          try {
                              desk.getLock().wait();
                          } catch (InterruptedException e) {
                              e.printStackTrace();
                          }
                      }
                  }
              }
          }
  
      }
  }
  
  public class Demo {
      public static void main(String[] args) {
          /*消费者步骤：
          1，判断桌子上是否有汉堡包。
          2，如果没有就等待。
          3，如果有就开吃
          4，吃完之后，桌子上的汉堡包就没有了
                  叫醒等待的生产者继续生产
          汉堡包的总数量减一*/
  
          /*生产者步骤：
          1，判断桌子上是否有汉堡包
          如果有就等待，如果没有才生产。
          2，把汉堡包放在桌子上。
          3，叫醒等待的消费者开吃。*/
  
          Desk desk = new Desk();
  
          Foodie f = new Foodie(desk);
          Cooker c = new Cooker(desk);
  
          f.start();
          c.start();
  
      }
  }
  

2.4阻塞队列基本使用

• 阻塞队列继承结构

• 常见BlockingQueue:

  ArrayBlockingQueue: 底层是数组,有界

  LinkedBlockingQueue: 底层是链表,无界.但不是真正的无界,最大为int的最大值

• BlockingQueue的核心方法:

  put(anObject): 将参数放入队列,如果放不进去会阻塞

  take(): 取出第一个数据,取不到会阻塞

• 代码示例

  public class Demo02 {
      public static void main(String[] args) throws Exception {
          // 创建阻塞队列的对象,容量为 1
          ArrayBlockingQueue<String> arrayBlockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(1);
  
          // 存储元素
          arrayBlockingQueue.put("汉堡包");
  
          // 取元素
          System.out.println(arrayBlockingQueue.take());
          System.out.println(arrayBlockingQueue.take()); // 取不到会阻塞
  
          System.out.println("程序结束了");
      }
  }
  

2.5阻塞队列实现等待唤醒机制

• 案例需求

  • 生产者类(Cooker)：实现Runnable接口，重写run()方法，设置线程任务

    1.构造方法中接收一个阻塞队列对象

    2.在run方法中循环向阻塞队列中添加包子

    3.打印添加结果

  • 消费者类(Foodie)：实现Runnable接口，重写run()方法，设置线程任务

    1.构造方法中接收一个阻塞队列对象

    2.在run方法中循环获取阻塞队列中的包子

    3.打印获取结果

  • 测试类(Demo)：里面有main方法，main方法中的代码步骤如下

    创建阻塞队列对象

    创建生产者线程和消费者线程对象,构造方法中传入阻塞队列对象

    分别开启两个线程

• 代码实现

  public class Cooker extends Thread {
  
      private ArrayBlockingQueue<String> bd;
  
      public Cooker(ArrayBlockingQueue<String> bd) {
          this.bd = bd;
      }
  //    生产者步骤：
  //            1，判断桌子上是否有汉堡包
  //    如果有就等待，如果没有才生产。
  //            2，把汉堡包放在桌子上。
  //            3，叫醒等待的消费者开吃。
  
      @Override
      public void run() {
          while (true) {
              try {
                  bd.put("汉堡包");
                  System.out.println("厨师放入一个汉堡包");
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
          }
      }
  }
  
  public class Foodie extends Thread {
      private ArrayBlockingQueue<String> bd;
  
      public Foodie(ArrayBlockingQueue<String> bd) {
          this.bd = bd;
      }
  
      @Override
      public void run() {
  //        1，判断桌子上是否有汉堡包。
  //        2，如果没有就等待。
  //        3，如果有就开吃
  //        4，吃完之后，桌子上的汉堡包就没有了
  //                叫醒等待的生产者继续生产
  //        汉堡包的总数量减一
  
          //套路:
          //1. while(true)死循环
          //2. synchronized 锁,锁对象要唯一
          //3. 判断,共享数据是否结束. 结束
          //4. 判断,共享数据是否结束. 没有结束
          while (true) {
              try {
                  String take = bd.take();
                  System.out.println("吃货将" + take + "拿出来吃了");
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
          }
  
      }
  }
  
  public class Demo {
      public static void main(String[] args) {
          ArrayBlockingQueue<String> bd = new ArrayBlockingQueue<>(1);
  
          Foodie f = new Foodie(bd);
          Cooker c = new Cooker(bd);
  
          f.start();
          c.start();
      }
  }
  

后记
👉👉💕💕美好的一天，到此结束，下次继续努力！欲知后续，请看下回分解，写作不易，感谢大家的支持！！ 🌹🌹🌹文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-713756.html

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