Java中处理线程同步

引自：http://blog.csdn.net/aaa1117a8w5s6d/article/details/8295527和http://m.blog.csdn.net/blog/undoner/12849661

静态变量：线程非安全。

静态变量即类变量，位于方法区，为所有对象共享，共享一份内存，一旦静态变量被修改，其他对象均对修改可见，故线程非安全。

实例变量：单例模式（只有一个对象实例存在）线程非安全，非单例线程安全。

实例变量为对象实例私有，在虚拟机的堆中分配，若在系统中只存在一个此对象的实例，在多线程环境下，“犹如”静态变量那样，被某个线程修改后，其他线程对修改均可见，故线程非安全；如果每个线程执行都是在不同的对象中，那对象与对象之间的实例变量的修改将互不影响，故线程安全。

局部变量：线程安全。

每个线程执行时将会把局部变量放在各自栈帧的工作内存中，线程间不共享，故不存在线程安全问题。

静态变量线程安全问题模拟：

----------------------------------------------------------------------------------

/**
  * 线程安全问题模拟执行
  *  ------------------------------
  *       线程1      |    线程2
  *  ------------------------------
  *   static_i = 4;  | 等待
  *   static_i = 10; | 等待
  *    等待          | static_i = 4;
  *   static_i * 2;  | 等待
  *  -----------------------------
 * */
public class Test implements Runnable
{
    private static int static_i;//静态变量

    public void run()
    {
        static_i = 4;
        System.out.println("[" + Thread.currentThread().getName()
                + "]获取static_i 的值:" + static_i);
        static_i = 10;
        System.out.println("[" + Thread.currentThread().getName()
                + "]获取static_i*3的值:" + static_i * 2);
    }

    public static void main(String[] args)
    {
        Test t = new Test();
        //启动尽量多的线程才能很容易的模拟问题
        for (int i = 0; i < 3000; i++)
        {
            //t可以换成new Test(),保证每个线程都在不同的对象中执行，结果一样
            new Thread(t, "线程" + i).start();
        }
    }
}

根据代码注释中模拟的情况，当线程1执行了static_i = 4;  static_i = 10; 后，线程2获得执行权，static_i = 4; 然后当线程1获得执行权执行static_i * 2;  必然输出结果4*2=8，按照这个模拟，我们可能会在控制台看到输出为8的结果。

写道

[线程27]获取static_i 的值:4 
[线程22]获取static_i*2的值:20 
[线程28]获取static_i 的值:4 
[线程23]获取static_i*2的值:8 
[线程29]获取static_i 的值:4 
[线程30]获取static_i 的值:4 
[线程31]获取static_i 的值:4 
[线程24]获取static_i*2的值:20

 看红色标注的部分，确实出现了我们的预想，同样也证明了我们的结论。

 

实例变量线程安全问题模拟：

----------------------------------------------------------------------------------

public class Test implements Runnable
{
    private int instance_i;//实例变量

    public void run()
    {
        instance_i = 4;
        System.out.println("[" + Thread.currentThread().getName()
                + "]获取instance_i 的值:" + instance_i);
        instance_i = 10;
        System.out.println("[" + Thread.currentThread().getName()
                + "]获取instance_i*3的值:" + instance_i * 2);
    }

    public static void main(String[] args)
    {
        Test t = new Test();
        //启动尽量多的线程才能很容易的模拟问题
        for (int i = 0; i < 3000; i++)
        {
            //每个线程对在对象t中运行，模拟单例情况
            new Thread(t, "线程" + i).start();
        }
    }
}

 

按照本文开头的分析，犹如静态变量那样，每个线程都在修改同一个对象的实例变量，肯定会出现线程安全问题。

写道

[线程66]获取instance_i 的值:10 
[线程33]获取instance_i*2的值:20 
[线程67]获取instance_i 的值:4 
[线程34]获取instance_i*2的值:8 
[线程35]获取instance_i*2的值:20 
[线程68]获取instance_i 的值:4

 

看红色字体，可知单例情况下，实例变量线程非安全。

 

将new Thread(t, "线程" + i).start();改成new Thread(new Test(), "线程" + i).start();模拟非单例情况，会发现不存在线程安全问题。

 

 

局部变量线程安全问题模拟：

----------------------------------------------------------------------------------

public class Test implements Runnable
{
    public void run()
    {
        int local_i = 4;
        System.out.println("[" + Thread.currentThread().getName()
                + "]获取local_i 的值:" + local_i);
        local_i = 10;
        System.out.println("[" + Thread.currentThread().getName()
                + "]获取local_i*2的值:" + local_i * 2);
    }

    public static void main(String[] args)
    {
        Test t = new Test();
        //启动尽量多的线程才能很容易的模拟问题
        for (int i = 0; i < 3000; i++)
        {
            //每个线程对在对象t中运行，模拟单例情况
            new Thread(t, "线程" + i).start();
        }
    }
}

 

控制台没有出现异常数据。

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为什么要线程同步？

　　说到线程同步，大部分情况下， 我们是在针对“单对象多线程”的情况进行讨论，一般会将其分成两部分，一部分是关于“共享变量”，一部分关于“执行步骤”。

如何控制线程同步

　　既然线程同步有上述问题，那么我们应该如何去解决呢？针对不同原因造成的同步问题，我们可以采取不同的策略。

1.控制共享变量

　　我们可以采取3种方式来控制共享变量。

　　（1）将“单对象多线程”修改成“多对象多线程”　　

　　上文提及，同步问题一般发生在“单对象多线程”的场景中，那么最简单的处理方式就是将运行模型修改成“多对象多线程”的样子，针对上面示例中的同步问题，修改后的代码如下：

 1 private static void sharedVaribleTest2() throws InterruptedException
 2 {
 3     Thread thread1 = new Thread(new MyRunner());
 4     Thread thread2 = new Thread(new MyRunner());
 5     thread1.setDaemon(true);
 6     thread2.setDaemon(true);
 7     thread1.start();
 8     thread2.start();
 9     thread1.join();
10     thread2.join();
11 }

　　我们可以看到，上述代码中两个线程使用了两个不同的Runnable实例，它们在运行过程中，就不会去访问同一个全局变量。

　　（2）将“全局变量”降级为“局部变量”

　　既然是共享变量造成的问题，那么我们可以将共享变量改为“不共享”，即将其修改为局部变量。这样也可以解决问题，同样针对上面的示例，这种解决方式的代码如下：

 1 class MyRunner2 implements Runnable
 2 {
 3     public void run() 
 4     {
 5         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
 6         int sum = 0;
 7         for (int i = 1; i <= 100; i++)
 8         {
 9             sum += i;
10         }
11         try {
12             Thread.sleep(500);
13         } catch (InterruptedException e) {
14             e.printStackTrace();
15         }
16         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- The value of sum is " + sum);
17         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
18     }
19 }
20 
21 
22 private static void sharedVaribleTest3() throws InterruptedException
23 {
24     MyRunner2 runner = new MyRunner2();
25     Thread thread1 = new Thread(runner);
26     Thread thread2 = new Thread(runner);
27     thread1.setDaemon(true);
28     thread2.setDaemon(true);
29     thread1.start();
30     thread2.start();
31     thread1.join();
32     thread2.join();
33 }

　　我们可以看出，sum变量已经由全局变量变为run方法内部的局部变量了。

　　（3）使用ThreadLocal机制

　　ThreadLocal是JDK引入的一种机制，它用于解决线程间共享变量，使用ThreadLocal声明的变量，即使在线程中属于全局变量，针对每个线程来讲，这个变量也是独立的。

　　我们可以用这种方式来改造上面的代码，如下所示：

 1 class MyRunner3 implements Runnable
 2 {
 3     public ThreadLocal<Integer> tl = new ThreadLocal<Integer>();
 4     
 5     public void run() 
 6     {
 7         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
 8         for (int i = 0; i <= 100; i++)
 9         {
10             if (tl.get() == null)
11             {
12                 tl.set(new Integer(0));
13             }
14             int sum = ((Integer)tl.get()).intValue();
15             sum+= i;
16             tl.set(new Integer(sum));
17             try {
18                 Thread.sleep(10);
19             } catch (InterruptedException e) {
20                 e.printStackTrace();
21             }
22         }
23         
24         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- The value of sum is " + ((Integer)tl.get()).intValue());
25         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
26     }
27 }
28 
29 
30 private static void sharedVaribleTest4() throws InterruptedException
31 {
32     MyRunner3 runner = new MyRunner3();
33     Thread thread1 = new Thread(runner);
34     Thread thread2 = new Thread(runner);
35     thread1.setDaemon(true);
36     thread2.setDaemon(true);
37     thread1.start();
38     thread2.start();
39     thread1.join();
40     thread2.join();
41 }

　　综上三种方案，第一种方案会降低多线程执行的效率，因此，我们推荐使用第二种或者第三种方案。

2.控制执行步骤

　　说到执行步骤，我们可以使用synchronized关键字来解决它。

 1 class MySyncRunner implements Runnable
 2 {
 3     public void run() {
 4         synchronized(this)
 5         {
 6             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
 7             for(int i = 1; i <= 5; i++)
 8             {
 9                 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Running step " + i);
10                 try
11                 {
12                     Thread.sleep(50);
13                 }
14                 catch(InterruptedException ex)
15                 {
16                     ex.printStackTrace();
17                 }
18             }
19             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
20         }
21     }
22 }
23 
24 
25 private static void syncTest2() throws InterruptedException
26 {
27     MySyncRunner runner = new MySyncRunner();
28     Thread thread1 = new Thread(runner);
29     Thread thread2 = new Thread(runner);
30     thread1.setDaemon(true);
31     thread2.setDaemon(true);
32     thread1.start();
33     thread2.start();
34     thread1.join();
35     thread2.join();
36 }

　　在线程同步的话题上，synchronized是一个非常重要的关键字。它的原理和数据库中事务锁的原理类似。我们在使用过程中，应该尽量缩减synchronized覆盖的范围，原因有二：1）被它覆盖的范围是串行的，效率低；2）容易产生死锁。我们来看下面的示例：