Java多线程——同步

同步是什么？

当两个线程同时对一个变量进行修改时，不同的访问顺序会造成不一样的结果，这时候就需要同步保证结果的唯一性。

未同步时

新建Bank类，transfer()用于在两个账户之间转账金额

class Bank {
    private double[] accounts;

    public Bank(int accountNum, double initialMoney) {
        accounts = new double[accountNum];
        Arrays.fill(accounts, initialMoney);
    }

    public void transfer(int from, int to, double money) {
        if (accounts[from] < money) {
            return;
        }
        System.out.print(Thread.currentThread());
        accounts[from] -= money;
        System.out.printf("%10.2f from %d to %d", money, from, to);
        accounts[to] += money;
        System.out.printf(" Total %10.2f%n", getTotal());
    }

    public double getTotal() {
        double total = 0.0d;
        for (double temp : accounts) {
            total += temp;
        }
        return total;
    }

    public int size() {
        return accounts.length;
    }
}

假设银行有1000个开户人，每个人账户有1000元，新建1000个线程进行随机转账，无论怎么转账，总金额都应该为1000000，但实际的钱却越来越少（这个例子不太好，原因是浮点数加减可能误差）

int NACCOUNTS = 1000;
double INITIAL_BALANCE = 1000;
double MAX_AMOUNT = 1000;
int DELAY = 10;

Bank bank = new Bank(NACCOUNTS, INITIAL_BALANCE);
for (int i = 0; i < NACCOUNTS; i++) {
    int fromAccount = i;
    new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            try {
                while (true) {
                    int toAccount = (int) (bank.size() * Math.random());
                    double money = MAX_AMOUNT * Math.random();
                    bank.transfer(fromAccount, toAccount, money);
                    Thread.sleep((int) (DELAY * Math.random()));
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }).start();
}

原因分析：

• 当两个线程同时执行到accounts[to] += money;
• 线程1取出accounts[to]（如900）放到寄存器，+money（如100），正准备写回accounts[to]（变成了1000）时
• 线程2抢占到权限执行accounts[to] += money 将accounts[to]修改为了10002
• 线程1再写就将10002覆盖成了1000

ReentrantLock

修改Bank，对其transfer方法加锁，注意lock应该为成员变量，即每个Bank实例都只有一把锁，不同对象之间的锁不会互相影响，需要在finally释放锁

class Bank {
    private double[] accounts;
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public Bank(int accountNum, double initialMoney) {
        accounts = new double[accountNum];
        Arrays.fill(accounts, initialMoney);
    }

    public void transfer(int from, int to, double money) {
        if (accounts[from] < money) {
            return;
        }
        lock.lock();
        try {
            System.out.print(Thread.currentThread());
            accounts[from] -= money;
            System.out.printf("%10.2f from %d to %d", money, from, to);
            accounts[to] += money;
            System.out.printf(" Total %10.2f%n", getTotal());
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public double getTotal() {
        double total = 0.0d;
        for (double temp : accounts) {
            total += temp;
        }
        return total;
    }

    public int size() {
        return accounts.length;
    }
}

Condition

在转账时，应该避免选择没有足够资金的账号转出

if(bank.getMoney(fromAccount) >= money){
	bank.transfer(fromAccount, toAccount, money);
}

但在多线程情况下，可能两个线程同时进入if，一个线程转账后导致另外一个线程金额不够转账，故我们要确保在检查之后加锁禁止别的线程先行一步

private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
	while(account[from]  < money){
		
	}
}finally{
	lock.unlock();
}

但当账户没有钱的时候，转出线程会一直等待其他线程转入资金，而其他线程因为无法拿到锁而无法转入，这就造成了死锁，这时候就需要条件对象，当金额不足时阻塞线程放弃锁的持有

private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private Condition moneyEnough;

lock.lock();
try {
	moneyEnough = lock.newCondition();
	while(account[from]  < money){
		moneyEnough.await();
	}
}finally{
	lock.unlock();
}

当其他线程转账后，应该调用signalAll()唤起所有await()中的线程，当其中的某个线程被调度并再次获取锁后，会再进入try子句检测金额是否足够

moneyEnough.signalAll();

Tips：

• 还有一个signal()方法随机唤起一个等待线程
• 当所有线程的金额都小于转账金额，调用await()，所有线程都会阻塞，此时会再次死锁

synchronized

Java中每一个对象都有一个内部锁，如果一个方法用synchronized声明，线程调用该方法时需要获得其内部锁，即

public synchronized void method(){

}

等价于

private ReentrantLock innerLock = new ReentrantLock();
public void method(){
	innerLock.lock();
	try{
	
	}finally{
		innerLock.unlock();
	}
}

内部锁只有一个条件 ，对其的阻塞和唤醒调用wait()、notifyAll()/notify()，它们是Object中的final方法，相当对ReentrantLock调用

innerLock.await();
innerLock.signalAll();

将静态方法声明为synchronized，调用该方法时会锁住对应的类，此时其他线程无法调用该类的其他同步静态方法

Tips：

• 内部锁不能中断一个正在试图获得锁的线程
• 锁时不能设置超时
• 只有一个条件

该使用哪种锁机制?

使用synchronized可减少代码的编写，减少出错的几率

使用ReentrantLock+Condition可以自行控制锁的过程，实现多个条件

同步阻塞

使用其他对象的锁来完成原子操作

public class bank{

	private Object lock = new Object();
	
	public void transfer(int from, int to, double money) {
		synchronized(lock){
			
		}
	}
}

监视器

volatile

若如果只有一两个域可能发生多线程的误写，可对该域声明为volatile，虚拟机和编译器就知道该域是可能被另一个线程并发更新的，但其不能保证原子性

boolean flag;
public void Not(){
	flag = !flag;
}

如上，不能保证其再读取、翻转和写入时不被中断

final和锁

当把域声明为final时，其他线程对其的读取只能是构造成功后的值，而不会是null

fial Map<String, Double> accounts = new HashMap<>();

原子性

死锁

线程局部变量

当多个线程都要调用Random中的方法生成随机数时，由于Random是加锁的，其他线程就得等待，此时可用TheadLocal辅助类为各个线程提供各自的Random实例

ThreadLocal<Random> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(() -> new Random());
threadLocal.get().nextInt();

此外，专门创建多线程随机数的ThreadLocalRandom，其current()方法会返回当前线程的Random类实例

ThreadLocalRandom.current().nextInt();

锁超时

当线程调用tryLock()方法去申请另一个线程的锁时，很有可能发生阻塞，故可在申请时设置时长

private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
try {
    lock.tryLock(100, TimeUnit.SECONDS);
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
}

读写锁

读写锁可从ReentrantReadWriteLock取出，为所有获取方法加上读锁，为所有修改方法加上写锁

ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
Lock readLock = reentrantReadWriteLock.readLock();
Lock writeLock = reentrantReadWriteLock.writeLock();

为什么弃用stop()和suspend()

stop()方法用来终止线程，并立即释放线程所获得的锁，这会导致对象状态不一致（如钱已被转出，但在转入前stop，会导致数据丢失）

故无法确定什么时候调用stop()是安全的，在希望停止线程的时候应该中断线程，被中断的线程会在安全的时候停止

suspend()方法用来阻塞线程，直至另一个线程调用resume()，当用suspend()挂起一个持有一个锁的线程，则该锁在resume()之前是不可用的。

若此时再用suspend()方法的线程获取该锁，则会死锁，被挂起的锁等待resume()释放，而要resume()则要获取被挂起的锁