java 多线程 3 synchronized 同步

多任务编程的难点在于多任务共享资源。对于同一个进程空间中的多个线程来说，它们都共享堆中的对象。某个线程对对象的操作，将影响到其它的线程。

在多线程编程中，要尽力避免竞争条件(racing condition)，即运行结果依赖于不同线程执行的先后。线程是并发执行的，无法确定线程的先后，所以我们的程序中不应该出现竞争条件。

然而，当多任务共享资源时，就很容易造成竞争条件。我们需要将共享资源，并造成竞争条件的多个线程线性化执行，即同一时间只允许一个线程执行。

(可更多参考Linux多线程与同步)

下面是一个售票程序。3个售票亭(Booth)共同售卖100张票(Reservoir)。每个售票亭要先判断是否有余票，然后再卖出一张票。如果只剩下一张票，在一个售票亭的判断和售出两个动作之间，另一个售票亭卖出该票，那么第一个售票亭(由于已经执行过判断)依然会齿形卖出，造成票的超卖。为了解决该问题，判断和售出两个动作之间不能有“空隙”。也就是说，在一个线程完成了这两个动作之后，才能有另一个线程执行。

在Java中，我们将共享的资源置于一个对象中，比如下面r(Reservoir)对象。它包含了总共的票数；将可能造成竞争条件的，针对共享资源的操作，放在synchronized(同步)方法中，比如下面的sellTicket()。synchronized是方法的修饰符。在Java中，同一对象的synchronized方法只能同时被一个线程调用。其他线程必须等待该线程调用结束，(余下的线程之一)才能运行。这样，我们就排除了竞争条件的可能。

在main()方法中，我们将共享的资源(r对象)传递给多个线程:

public class Test
{
    public static void main(String[] args)
    {
        Reservoir r = new Reservoir(100);
        Booth b1 = new Booth(r);
        Booth b2 = new Booth(r);
        Booth b3 = new Booth(r);
    }
}

/**
 * contain shared resource
 */
class Reservoir {
    private int total;

    public Reservoir(int t) 
    {
        this.total = t;
    }

    /**
     * Thread safe method
     * serialized access to Booth.total
     */
    public synchronized boolean sellTicket() 
    {
        if(this.total > 0) {
            this.total = this.total - 1;
            return true; // successfully sell one
        }
        else {
            return false; // no more tickets
        }
    }
}

/**
 * create new thread by inheriting Thread
 */
class Booth extends Thread {
    private static int threadID = 0; // owned by Class object

    private Reservoir release;      // sell this reservoir 
    private int count = 0;          // owned by this thread object
    /**
     * constructor
     */
    public Booth(Reservoir r) {
        super("ID:" + (++threadID));
        this.release = r;          // all threads share the same reservoir
        this.start();
    }

    /**
     * convert object to string
     */
    public String toString() {
        return super.getName();
    }

    /**
     * what does the thread do?
     */
    public void run() {
        while(true) {
            if(this.release.sellTicket()) {
                this.count = this.count + 1;
                System.out.println(this.getName() + ": sell 1");
                try {
                    sleep((int) Math.random()*100);   // random intervals
                }
                catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            else {
                break;
            }
        }
        System.out.println(this.getName() + " I sold:" + count);
    }
}

　　Java的每个对象都自动包含有一个用于支持同步的计数器，记录synchronized方法的调用次数。线程获得该计数器，计数器加1，并执行synchronized方法。如果方法内部进一步调用了该对象的其他synchronized方法，计数器加1。当synchronized方法调用结束并退出时，计数器减1。其他线程如果也调用了同一对象的synchronized方法，必须等待该计数器变为0，才能锁定该计数器，开始执行。Java中的类同样也是对象(Class类对象)。Class类对象也包含有计数器，用于同步。