浅谈synchronized、Lock、ThreadLocal和semaphore - 格式化版本
1. 背景
在进行多线程编程时，最让人头痛的无非是线程安全问题，对共享资源的访问控制，如果稍加不注意就可能导致莫名其名错误,主要体现有:
- 创建单例对象时，内存中可能存在多个实例。
- 一个线程正在读取数据，由于另一个写线程的介入，可能导致读线程读取到的数据脏乱不堪。
- 同一对象可能同时被多个线程使用，造成结果上面的偏差
2. synchronized 的介绍
为了防止多线程造成需要单例化的对象存在多实例问题，synchronized作为懒汉式模式创建实例的常使用的关键字，使用如下：
private SocketManager() {
}
private static SocketManager INSTANCE;
public static SocketManager getInstance() {
if (INSTANCE == null) {
synchronized (SocketManager.class) {
if (INSTANCE == null) {
INSTANCE = new SocketManager();
}
}
}
return INSTANCE;
}
3. Lock的介绍
Lock是java中锁操作接口，比synchronized使用上面更为灵活。其主要实现类分为ReentrantLock (重入锁)和ReentrantReadWriteLock(读写锁)。其中ReentrantLock(重入锁)构造时，由于布尔参数不同又分为公平重入锁和非公平重入锁，其中非公平的重入锁处理效率比公平重入锁高，所以在创建时，一般使用ReentrantLock(false)。 另一个ReentrantReadWriteLock专门用于对读写操作的加锁(两个读线程不会冲突，两个写线程会冲突，一个读一个写线程会冲突，但是两个读线程不会冲突)，如果ReentrantLock处理能力就不够，再这个情况下使用ReentrantLock。总之，一般情况下，ReentrantLock基本就能处理问题，在读写上就可以选择使用ReentrantLock处理。
private static ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(true);
//HashMap 非线程安全
public static HashMap<Integer, String> pairs = new HashMap<>();
public static void setPair(int key, String value) {
reentrantReadWriteLock.writeLock().lock();
pairs.put(key, value);
reentrantReadWriteLock.writeLock().unlock();
}
public static String getValue(int key) {
reentrantReadWriteLock.readLock().lock();
String value = pairs.get(key);
reentrantReadWriteLock.readLock().unlock();
return value;
}
- 以下case引用于： 原博客地址
Case 1 ：
在使用synchronized关键字的情形下，假如占有锁的线程由于要等待IO或者其他原因（比如调用sleep方法）被阻塞了，但是又没有释放锁，那么其他线程就只能一直等待，别无他法。这会极大影响程序执行效率。因此，就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去（比如只等待一定的时间 (解决方案：tryLock(long time, TimeUnit unit)) 或者 能够响应中断 (解决方案：lockInterruptibly())），这种情况可以通过 Lock 解决。
Case 2 ：
我们知道，当多个线程读写文件时，读操作和写操作会发生冲突现象，写操作和写操作也会发生冲突现象，但是读操作和读操作不会发生冲突现象。但是如果采用synchronized关键字实现同步的话，就会导致一个问题，即当多个线程都只是进行读操作时，也只有一个线程在可以进行读操作，其他线程只能等待锁的释放而无法进行读操作。因此，需要一种机制来使得当多个线程都只是进行读操作时，线程之间不会发生冲突。同样地，Lock也可以解决这种情况 (解决方案：ReentrantReadWriteLock) 。
Case 3 ：
我们可以通过Lock得知线程有没有成功获取到锁 (解决方案：ReentrantLock) ，但这个是synchronized无法办到的。
4. ThreadLocal的介绍
前面讲的都是在多线程情况下，共享资源保持一致性，保证对象的唯一性和一致性。但是在某些情境中，同一对象需要在不同线程中相互独立，即每一个线程中都拥有该对象的一个副本。（PS： SimpleDateForma非线程安全）
// 测试代码
public class Main {
public static void main(String... args) {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
new Thread() {
@Override
public void run() {
CountUtils.addCount();
}
}.start();
}
}
}
// 没有使用ThreadLocal
public class CountUtils {
private static int countNum = 0;
public static void addCount() {
synchronized (CountUtils.class) {
countNum++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + countNum);
}
}
}
// 输出结果：
Thread-1:1
Thread-3:2
Thread-2:3
Thread-0:4
Thread-4:5
- 静态字段位于全局区，同时能够被多个线程修改。
public class CountUtils {
private static ThreadLocal<Integer> integerThreadLocal = new InheritableThreadLocal<Integer>() {
@Override
protected Integer initialValue() {
return 0;
}
};
public static void addCount() {
synchronized (CountUtils.class) {
int countNum = integerThreadLocal.get();
countNum ++ ;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + countNum);
}
}
}
// 输出结果：
Thread-2:1
Thread-1:1
Thread-3:1
Thread-0:1
Thread-4:1
- 总结： ThreadLocal采用Map<ThreadInfo，E>方式将线程操作的对象进行区分，不同的线程取值并非同一个。
5. semaphore的介绍
semaphore (信号量) 控制线程的出入问题，创建该对象时指明可用的资源数（synchronized可用资源数为1），当有资源空闲时，线程可进入，否则阻塞等待。项目中弹幕处理，维护弹幕池可用弹幕总数，当显示的弹幕已经达到弹幕总数，信号量为0，当某一弹幕移除屏幕，将弹幕控件放入弹幕控件池进行复用，并将信号量加1，定时器定时判断信号量，当信号量不为0时，从弹幕控制池取弹幕控件展示。
- tryAcquire() ： 仅在调用时此信号量存在一个可用许可，才从信号量获取许可。
- acquire() ： 从此信号量获取一个许可，在提供一个许可前一直将线程阻塞，否则线程被中断。
- release() ： 释放一个许可，将其返回给信号量。