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Java 多线程 Java多线程之搞定最后一公里详解

爱敲代码的小高   2021-10-11 我要评论
想了解Java多线程之搞定最后一公里详解的相关内容吗,爱敲代码的小高在本文为您仔细讲解Java 多线程的相关知识和一些Code实例,欢迎阅读和指正,我们先划重点:Java,多线程,Java,Thread,下面大家一起来学习吧。

绪论

上期介绍了多线程的概念、优势、创建方法以及几个常用的关键字。有了之前的基础过后,我们来讨论讨论线程安全问题以及其他线程进阶知识。

一:线程安全问题

1.1 提出问题

首先,给大家看一下这个代码:

public class yy1 {
    private static class Counter {
        private long n = 0;
        public void increment() {
            n++;
        }
        public void decrement() {
            n--;
        }
        public long value() {
            return n;
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final int COUNT = 1000_0000;
        Counter counter = new Counter();
        Thread thread = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
                counter.increment();
            }
        }, "李四");
        thread.start();
        for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
            counter.decrement();
        }
        thread.join();
// 期望最终结果应该是 0
        System.out.println(counter.value());
    }
}

大家看结果:

大家观察下是否适用多线程的现象是否一致?同时尝试思考下为什么会有这样的现象发生呢?

想给出一个线程安全的确切定义是复杂的,但我们可以这样认为:

如果多线程环境下代码运行的结果是符合我们预期的,即在单线程环境应该的结果,则说这个程序是线程安全的。

1.2 不安全的原因

1.2.1 原子性

举个简单的例子,当我i们买票的时候,如果车站剩余票数大于0,就可以买。反之,买完一张票后,车站的票数也会自动减一。假设出现这种情况,两个人同时来买票,只剩最后一张票,前面那个人把最后一张票买了,但是短时间内票数还没减一也就是清零,这时另外一个人看到还有一张票,于是提交订单,但是其实已经没有多余的票了,那么问题就来了。这时我们引入原子性:

我们把一段代码想象成一个房间,每个线程就是要进入这个房间的人。如果没有任何机制保证, A 进入房间之后,还 没有出来; B 是不是也可以进入房间,打断 A 在房间里的隐私。这个就是不具备原子性的。 那我们应该如何解决这个问题呢?是不是只要给房间加一把锁, A 进去就把门锁上,其他人是不是就进不来了。这样 就保证了这段代码的原子性了。 有时也把这个现象叫做同步互斥,表示操作是互相排斥的。 不保证原子性, 如果一个线程正在对一个变量操作,中途其他线程插入进来了,如果这个操作被打断了,结果就可能是错误的。

1.2.2 代码“优化”

一段代码是这样的:

1. 去前台取下 U 盘

2. 去教室写 10 分钟作业

3. 去前台取下快递

如果是在单线程情况下, JVM 、 CPU 指令集会对其进行优化,比如,按 1->3->2 的方式执行,也是没问题,可以少跑 一次前台。这种叫做指令重排序。 刚才那个例子中,单线程情况是没问题的,优化是正确的,但在多线程场景下就有问题了,什么问题呢。可能快递是 在你写作业的10 分钟内被另一个线程放过来的,或者被人变过了,如果指令重排序了,代码就会是错误的。

二:如何解决线程不安全的问题

2.1 通过synchronized关键字

synchronized 的底层是使用操作系统的 mutex lock 实现的。 当线程释放锁时, JMM 会把该线程对应的工作内存中的共享变量刷新到主内存中 当线程获取锁时, JMM 会把该线程对应的本地内存置为无效。从而使得被监视器保护的临界区代码必须从主内 存中读取共享变量 synchronized 用的锁是存在 Java对象头里的。 synchronized 同步快对同一条线程来说是可重入的,不会出现自己把自己锁死的问题; 同步块在已进入的线程执行完之前,会阻塞后面其他线程的进入。

锁的 SynchronizedDemo 对象

public class SynchronizedDemo {
public synchronized static void methond() {
}
public static void main(String[] args) {
method();
// 进入方法会锁 SynchronizedDemo.class 指向对象中的锁;出方法会释放
SynchronizedDemo.class 指向的对象中的锁
}
}

锁的 SynchronizedDemo 类的对象

public class SynchronizedDemo {
public synchronized static void methond() {
}
public static void main(String[] args) {
method();
// 进入方法会锁 SynchronizedDemo.class 指向对象中的锁;出方法会释放
SynchronizedDemo.class 指向的对象中的锁
}
}

明确锁的对象

public class SynchronizedDemo {
public synchronized static void methond() {
}
public static void main(String[] args) {
method();
// 进入方法会锁 SynchronizedDemo.class 指向对象中的锁;出方法会释放
SynchronizedDemo.class 指向的对象中的锁
}
}
public class SynchronizedDemo {
public void methond() {
// 进入代码块会锁 SynchronizedDemo.class 指向对象中的锁;出代码块会释放
SynchronizedDemo.class 指向的对象中的锁
synchronized (SynchronizedDemo.class) {
}
}
public static void main(String[] args) {
SynchronizedDemo demo = new SynchronizedDemo();
demo.method();
}
}

2.2 volatile

这里提一下volatile:

首先,被volatile关键字修饰的变量,编译器与运行时都会注意到这个变量是共享的,因此不会将该变量上的操作与其他内存操作一起重排序。volatile变量不会被缓存在寄存器或者对其他处理器不可见的地方,因此在读取volatile类型的变量时总会返回最新写入的值。

在访问volatile变量时不会执行加锁操作,因此也就不会使执行线程阻塞,因此volatile变量是一种比sychronized关键字更轻量级的同步机制。当对非 volatile 变量进行读写的时候,每个线程先从内存拷贝变量到CPU缓存中。如果计算机有多个CPU,每个线程可能在不同的CPU上被处理,这意味着每个线程可以拷贝到不同的 CPU cache 中。而声明变量是 volatile 的,JVM 保证了每次读变量都从内存中读,跳过 CPU cache 这一步

三:wait和notify关键字

3.1 wait方法

其实 wait() 方法就是使线程停止运行。

1. 方法 wait() 的作用是使当前执行代码的线程进行等待, wait() 方法是 Object 类的方法,该方法是用来将当前线程 置入 “ 预执行队列 ” 中,并且在 wait() 所在的代码处停止执行,直到接到通知或被中断为止。

2. wait() 方法只能在同步方法中或同步块中调用。如果调用 wait() 时,没有持有适当的锁,会抛出异常。

3. wait() 方法执行后,当前线程释放锁,线程与其它线程竞争重新获取锁。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object object = new Object();
synchronized (object) {
System.out.println(" 等待中 ...");
object.wait();
System.out.println(" 等待已过 ...");
}
System.out.println("main 方法结束 ...");
}

这样在执行到 object.wait() 之后就一直等待下去,那么程序肯定不能一直这么等待下去了。这个时候就需要使用到了 另外一个方法唤醒的方法 notify() 。

3.2 notify方法

notify 方法就是使停止的线程继续运行。

  • 1. 方法 notify() 也要在同步方法或同步块中调用,该方法是用来通知那些可能等待该对象的对象锁的其它线程,对 其发出通知 notify ,并使它们重新获取该对象的对象锁。如果有多个线程等待,则有线程规划器随机挑选出一个 呈 wait 状态的线程。
  • 2. 在 notify() 方法后,当前线程不会马上释放该对象锁,要等到执行 notify() 方法的线程将程序执行完,也就是退出 同步代码块之后才会释放对象锁。
class MyThread implements Runnable {
    private boolean flag;
    private Object obj;
    public MyThread(boolean flag, Object obj) {
        super();
        this.flag = flag;
        this.obj = obj;
    }
    public void waitMethod() {
        synchronized (obj) {
            try {
                while (true) {
                    System.out.println("wait()方法开始.. " +
                            Thread.currentThread().getName());
                    obj.wait();
                    System.out.println("wait()方法结束.. " +
                            Thread.currentThread().getName());
                    return;
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    public void notifyMethod() {
        synchronized (obj) {
            try {
                System.out.println("notifyAll()方法开始.. " +
                        Thread.currentThread().getName());
                obj.notifyAll();
                System.out.println("notifyAll()方法结束.. " +
                        Thread.currentThread().getName());
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    @Override
    public void run() {
        if (flag) {
            this.waitMethod();
        } else {
            this.notifyMethod();
        }
    }
}
public class TestThread {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object object = new Object();
        MyThread waitThread1 = new MyThread(true, object);
        MyThread waitThread2 = new MyThread(true, object);
        MyThread waitThread3 = new MyThread(true, object);
        MyThread notifyThread = new MyThread(false, object);
        Thread thread1 = new Thread(waitThread1, "wait线程A");
        Thread thread2 = new Thread(waitThread2, "wait线程B");
        Thread thread3 = new Thread(waitThread3, "wait线程C");
        Thread thread4 = new Thread(notifyThread, "notify线程");
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
        Thread.sleep(1000);
        thread4.start();
        System.out.println("main方法结束!!");
    }
}

从结果上来看第一个线程执行的是一个 waitMethod 方法,该方法里面有个死循环并且使用了 wait 方法进入等待状态 将释放锁,如果这个线程不被唤醒的话将会一直等待下去,这个时候第二个线程执行的是 notifyMethod 方法,该方 法里面执行了一个唤醒线程的操作,并且一直将 notify 的同步代码块执行完毕之后才会释放锁然后继续执行 wait 结束 打印语句。 注意: wait , notify 必须使用在 synchronized 同步方法或者代码块内。

3.3 wait和sleep对比(面试常考)

其实理论上 wait 和 sleep 完全是没有可比性的,因为一个是用于线程之间的通信的,一个是让线程阻塞一段时间, 唯一的相同点就是都可以让线程放弃执行一段时间。用生活中的例子说的话就是婚礼时会吃糖,和家里自己吃糖之间 有差别。说白了放弃线程执行只是 wait 的一小段现象。 当然为了面试的目的,我们还是总结下:

  • 1. wait 之前需要请求锁,而 wait 执行时会先释放锁,等被唤醒时再重新请求锁。这个锁是 wait 对像上的 monitor 
  • lock
  • 2. sleep 是无视锁的存在的,即之前请求的锁不会释放,没有锁也不会请求。
  • 3. wait 是 Object 的方法
  • 4. sleep 是 Thread 的静态方法

四:多线程案例

4.1 饿汉模式单线程

class Singleton {
private static Singleton instance = new Singleton();
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}

4.2 懒汉模式单线程

class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}

4.3 懒汉模式多线程低性能版

class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private Singleton() {}
public synchronized static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}

4.4懒汉模式-多线程版-二次判断-性能高

class Singleton {
private static volatile Singleton instance = null;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}

总结

多线程的部分暂时分享到这里,但其实还有很多没有没有涉及 ,等日后深刻理解后再来分享,码文不易,多谢大家支持,感激不尽!


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