【JavaEE初阶 -- 多线程2】

水冠72024-03-14 8:13

这里写目录标题

  • 1.线程安全
    • [1.1 什么是线程安全](#1.1 什么是线程安全)
    • [1.2 原子性](#1.2 原子性)
    • [1.3 线程不安全的原因](#1.3 线程不安全的原因)
    • [1.4 通过synchronized进行加锁解决线程安全问题](#1.4 通过synchronized进行加锁解决线程安全问题)
    • [1.5 可重入锁](#1.5 可重入锁)
    • [1.6 死锁](#1.6 死锁)
    • [1.7 Java标准库中的线程安全类](#1.7 Java标准库中的线程安全类)
    • [1.8 通过volatile关键字解决内存可见性引起的线程安全问题](#1.8 通过volatile关键字解决内存可见性引起的线程安全问题)
  • [2. wait 和notify](#2. wait 和notify)
    • [2.1 wait() --使当前线程进行等待，释放当前锁；满足一定条件时被唤醒，重新尝试获取这个锁](#2.1 wait() --使当前线程进行等待，释放当前锁；满足一定条件时被唤醒，重新尝试获取这个锁)
    • [2.2 notify()--是唤醒等待的线程](#2.2 notify()--是唤醒等待的线程)
    • [2.3 wait 和sleep直接的区别：](#2.3 wait 和sleep直接的区别：)

1.线程安全

1.1 什么是线程安全

某个代码在单线程下执行没有任何问题，在多线程下执行出现bug。

1.2 原子性

把代码比如一个房间，每个线程就是要进入这个房间的人。如果没有任何保护机制，A进入之后，进行一些列隐私操作，然后B也可以进入房间，从而打断A，这样就是不具备原子性的。把线程A进入房间的一系列操作进行打包成一个整体进行上锁，其他线程就进不来，这样就保证了代码的原子性。

1.3 线程不安全的原因

  • 根本原因：操作系统上的线程是随即调度、抢占式执行的，线程之间执行的顺序带来了很多变数。
  • 代码结构：代码中多个线程，同时修改一个变量（一个线程修改，一个线程读也可能存在问题）。
  • 直接原因：多线程的修改操作下，本身不是原子的 ，一条Java语句不一定是原子的，也不一定只是一条指令，比如 i++，有三步操作：1.从内存把数据读到CPU；2.进行数据更新；3.把数据写回到CPU；
  • 多个CPU指令，一个线程执行这些指令，执行到一半被调度走，从而其他线程可能会被调度；每个CPU指令，都是原子的，要么执行完，要么不执行。
  • 内存可见性问题
  • 指令重排序问题

1.4 通过synchronized进行加锁解决线程安全问题

synchronized关键字，随便放Object对象都行，两个线程之间是否使用的是同一个对象，是同一个会产生竞争，反则是不会。进入代码块加锁，出代码块是解锁。synchronized 修饰普通方法，相当于给this加锁（锁对象是this），修饰静态方法，相当于给类对象加锁。

java 复制代码 
public class ThreadDemo19 {

    private static int count = 0;
    private static int count2 = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 随便创建个对象
        Object locker = new Object(); //两个线程之间是否使用的是同一个对象，是同一个会产生竞争，反则是不会
        Object locekr2 = new Object();
        // 创建两个线程，每个线程都针对上述count变量循环5w次 循环自增的代码存在线程安全问题
        int tmp = 0;
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                /*// 1）一下线程修改一个变量，没有影响
                count++;*/

                // 加锁  synchronized
                synchronized(locker) { //进入大括号 就会加锁
                    count++;
                } // 出大括号 就会解锁

                // 2）多个线程读取同一个变量，不会影响
                //System.out.println(count); //只是读取变量，变量的内容是固定不变的
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                //3）多个线程修改不同的变量，没有影响
                //count2++;
                //System.out.println(count);

                //两个线程针对不同对象加锁，存在不了锁竞争，就会出现线程安全问题
                /*synchronized (locekr2) {
                    count++;
                }*/
                synchronized (locker) {
                    count++;
                }
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        //打印count的结果

        System.out.println("count = "+ count);
    }
}

synchronized 加锁的效果也称为 互斥性。

java 复制代码 
class Test {
    public int count;
    // synchronized 是加到static方法上，就等价于给 类对象加锁
    /*synchronized public static void func() {

    }

    public static void func() { // 使用较少
        synchronized (Test.class) {

        }
    }*/
    // 等同于下面 synchronized (this)的代码
    /*synchronized public void add() {
        count++;
    }*/
    public void add() {
        /*synchronized (this) {
            count++;
        }*/

        // 获取Test类的对象 (在一个java进程中，一个类的类对象都是只有一个)
        // 所以在这里第一线程和第二个线程拿到的类对象是同一个类对象，因此锁竞争仍然存在能保证线程安全
        synchronized (Test.class) {
            count++;
        }
    }

}
public class ThreadDemo20 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Test test = new Test();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                test.add();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                test.add();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println("count = "+test.count);
    }
}

1.5 可重入锁

可重入锁：一共就只有一把锁，同一个线程，此时锁对象就知道第二次加锁的线程就是持有锁的线程，第二次进行加锁的发现加锁线程和持有锁线程是同一个线程，即能加锁 。

判定当前加锁线程是否是加锁的线程，如果不是同一个线程，阻塞；如果是同一个线程，++计数器。

java 复制代码 
public class ThreadDemo21 {
    public static void main(String[] args) {
        Object locker = new Object();
        Thread t = new Thread(() -> {
            synchronized (locker) { //可重入锁：在最外层的{进行加锁 真正加锁，同时把计数器+1(初始是0，+1
                //之后就变成了1，说明当前这个对象被该线程加锁一次 )同时记录线程是谁

                //再加一个锁，当前由于是同一个线程，此时锁对象就知道了第二次加锁的线程，就是持有锁的线程
                // 第二次操作，就可以直接放行通过，不会出现阻塞   ------》这个特性 称为"可重入"
                synchronized (locker) { //第二次加锁的时候，发现加锁线程和持有锁线程是同一个线程，即能加锁
                    //成功，++计数器，如果不是同一个线程，阻塞
                    System.out.println("hello");
                } // 把计数器-1，2-1=》1，不为0.不会真的解锁
            } // 在最外层的}进行解锁  1-1=0》 进行解锁
        });
        t.start();
    }
}

1.6 死锁

加锁是解决线程安全问题，但是加锁方式不当就可能产生死锁。

死锁三种典型场景：

  1. 一个线程，一把锁，如果锁不是可重入锁，并且是一个线程对这把锁加锁两次就会出现死锁。（钥匙锁屋里了）
  2. 两个线程，两把锁，线程1获取到 锁A，线程2 获取到锁B，然后线程1 尝试获取B，线程2 尝试获取 锁A，就会出现死锁。（钥匙锁车里，车钥匙锁房间里），解决方案：约定加锁顺序，先对A进行加锁，再对B进行加锁）。
java 复制代码 
public class ThreadDemo22 {
    public static void main(String[] args) {
        Object A = new Object();
        Object B = new Object();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (A) {
                //sleep一下，给t2时间，让t2也能拿到B
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                //尝试获取B，并没有释放A
                synchronized (B) {
                    System.out.println("t1拿到了两个线程");
                }
            }
        });
        /*Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (B) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                //尝试获取A，并没有释放B
                synchronized (A) {
                    System.out.println("t2拿到了两个线程");
                }
            }
        });*/
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (A) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 解决方案：先对A进行加锁，再对B进行加锁
                synchronized (B) {
                    System.out.println("t2拿到了两个线程");
                }
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
  1. N个线程，M把锁（哲学家就餐问题），解决方案：指定加锁顺序，针对五把锁，都进行编号，约定每个线程获取锁的时候，一定要先获取编号小的锁，后获取编号大的锁。

产生死锁的四个必要条件：

  1. 互斥使用：获取锁的过程是互斥的，一个线程拿到了这把锁，另一个线程也想获取，就需要阻塞 等待（锁最基本的特性，不太好破坏）
  2. 不可抢占：一个线程拿到了这把锁，只能主动解锁，不能让别的线程强行把锁抢走。（也是锁最基本的特性）
  3. 请求保持：一个线程拿到了锁A之后，在持有锁A的前提下，尝试获取锁B。（根据代码结构看实际情况可破坏）
  4. 循环等待/环路等待 （代码结构最容易破坏的 ）
    解决死锁问题，核心思路就是破坏上述的必要条件，破坏其一，就能解决死锁问题 。只要指定一定的规则，就可以有效的避免循环等待。

1.7 Java标准库中的线程安全类

Java标准库中很多都是线程不安全的，这些类可能会涉及到多线程修改共享数据，又没有任何加锁措施。

  • ArrayList
  • LinkedList
  • HashMap
  • TreeMap
  • HashSet
  • TreeSet
  • StringBuilder

还有一些是线程安全的，使用了一些锁机制来控制：

  • Vector(不推荐使用)
  • HashTable(不推荐使用)
  • ConcurrentHashMap
  • StringBuffer
    没加锁，不涉及修改，仍然是线程安全的：
  • String

1.8 通过volatile关键字解决内存可见性引起的线程安全问题

  • volatile能够保证内存可见性；另一个功能：禁止指令重排序。
  • 什么叫内存可见性：就是高度依赖编译器的优化的具体实现
  • 如果一个线程写，一个线程读也可能存在线程安全问题

设计一个预期通过 t2 线程输入的整数，只要输入的不为0，就可以使t1线程结束。

  • 下面代码中 t2修改了内存，但是 t1没有看到这个内存的变化，即内存可见性问题。
  • 在这里的内存可见性问题：
    在多线程下，编译器对代码的优化出现了误判，本来编译器期望 把读内存操作给优化成读寄存器中缓存的值，这样优化有助于我们提高循环的执行效率，并且编译器发现没有谁来修改flag，从而进行了错误的判断，在后续通过scanner用户输入来修改flag，导致这边 t2 线程修改了，而上面 t1 线程判断flag是否为0这边没有生效，因此出现了这边不能让t1结束的bug。

原理：
解决方案：给判断的变量 添加volatile关键字，在写入的时候：

  • 改变线程工作中内存volatile变量副本的值
  • 将改变后的副本的值从工作内存刷新到主存中

在读取volatile修饰的变量的时候：

  • 从内存中读取volatile变量的最新值到线程的工作内存中
  • 从工作内存中读取volatile变量的副本
java 复制代码 
import java.util.Scanner;
public class ThreadDemo23 {
    // t2修改了内存，但是t1没有看到这个内存的变化，就称为 内存可见性 问题

    //volatile关键字 核心功能：保证内存可见性； 另一个功能：禁止指令重排序
    private volatile static int flag = 0;
    public static void main(String[] args) {
        // 预期通过t2线程输入的整数，只要输入的不为0，就可以使t1线程结束
        Thread t1 = new Thread(() -> {
           while (flag == 0) {
               // 循环体里，没有内容
               /*try {
                   // 不加sleep，一秒循环上百亿次，load操作的整体开销非常大，优化的迫切程度就更高
                   // 加了之后，一秒循环1000次，load整体开销就没这么大，优化的迫切程度就降低了
                   Thread.sleep(1);
               } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
               }*/
           }
            System.out.println("t1 线程结束");
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            System.out.println("请输入flag的值");
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            flag = scanner.nextInt();
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

volatile和synchronized区别：

  • volatile保证的是内存可见性
  • synchronized保证的是原子性，也可以保证内存可见性

会出现线程安全：

java 复制代码 
// 会出现线程安全，无法保证最后结果是 100000
static class Counter {
	volatile public int count = 0;
		void increase() {
		count++;
		}
	}
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
	final Counter counter = new Counter();
	Thread t1 = new Thread(() -> {
		for (int i = 0; i < 50000; i++) {
		counter.increase();
		}
	});
	Thread t2 = new Thread(() -> {
		for (int i = 0; i < 50000; i++) {
		counter.increase();
		}
	});
	t1.start();
	t2.start();
	t1.join();
	t2.join();
	System.out.println(counter.count);
}

使用synchronized，加锁，去掉volatile，给t1的循环内部加锁，并借助counter对象加锁：

java 复制代码 
static class Counter {
	public int flag = 0;
}

public static void main(String[] args) {
	Counter counter = new Counter();
	Thread t1 = new Thread(() -> {
		while (true) {
			synchronized (counter) {
				if (counter.flag != 0) {
					break;
				}
			}
			// do nothing
		}
		System.out.println("循环结束!");
	});
	Thread t2 = new Thread(() -> {
		Scanner scanner = new Scanner(System.in);
		System.out.println("输入一个整数:");
		counter.flag = scanner.nextInt();
	});
	t1.start();
	t2.start();
}

2. wait 和notify

由于线程之间是抢占式执行的，因此线程之间执行的先后顺序是随机的。

  • wait() / wait(long timeout): 让当前线程进入等待状态.
  • notify() / notifyAll(): 唤醒在当前对象上等待的线程.
  • 这些都是Object方法

2.1 wait() --使当前线程进行等待，释放当前锁；满足一定条件时被唤醒，重新尝试获取这个锁

wait做的事情：

  • 使当前执行代码的线程进行阻塞等待，（把线程放到等待队列中）
  • 释放当前锁
  • 满足一定条件时被唤醒，重新尝试获取这个锁

wait() 要搭配synchronized来使用，脱离synchronized使用wait会直接抛出异常。即要先有锁，才能调用wait且对象必须是同一对象 。

wait结束等待的条件：

  • 其他线程调用该对象的notify方法
  • wait等待时间超时（ wait(long timeout)，来指定等待时间）
  • 其他线程调用该等待线程的 interrupted 方法, 导致 wait 抛出 InterruptedException 异常.

wait 被唤醒后也要重新参与锁竞争。

java 复制代码 
public class ThreadDemo24 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object object = new Object();
        synchronized (object) {
            System.out.println("wait 之前");
            object.wait();
            System.out.println("wait 之后");

        }
    }
}

2.2 notify()--是唤醒等待的线程

使用的哪个对象就是唤醒哪个对象的wait，如果两个wait是同一个对象调用的，随机唤醒其中一个，而notifyAll 唤醒这个对象所有等待的线程。

下面代码执行的过程：

  1. t1 执行起来之后，就会立即拿到锁，并且打印t1 wait之前，进入wait方法（释放锁+阻塞等待）
  2. t2 执行起来之后，先进行sleep（这个sleep作用是让 t1 能够先拿到锁）
  3. t2 sleep结束之后，由于t1是wait状态，锁是释放的，t2 就能拿到锁，接下来打印 t2 notify之前，执行notify操作，即唤醒t1，（此时t1就从WAITING状态恢复回来）
  4. 但是由于t2 此时还没有释放锁，t1 WAITING恢复之后，尝试获取锁，就可能会出现一个小小的阻塞，这个阻塞时由于锁竞争引起的。
  5. t2 执行完t2 notify之后，释放锁，t2 执行完毕，t1 的wait就可以获取锁，继续执行打印t1 wait之后。
java 复制代码 
public class ThreadDemo25 {
    public static void main(String[] args) {
        Object locker = new Object();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
           synchronized (locker) {
               System.out.println("t1 wait之前");
               try {
                   // 释放锁，阻塞等待
                   locker.wait();  // 死等
                   //locker.wait(100);  带有超时的等待，ms 如果这个时间内没有进行notify，就不等
               } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
               }
               System.out.println("t1 wait之后");
           }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                // 如果sleep写到synchronized外面的话，由于t1和t2执行顺序不确定，就可能t2先拿到锁，
                // t1 没执行到 wait  t2就先notify
                Thread.sleep(5000); // 让t1先拿到锁

                // 由于locker.wait()，锁是释放的，t2就能拿到锁
                synchronized (locker) {
                    System.out.println("t2 notify 之前");
                    // 唤醒t1，t1从WAITING 状态恢复过来
                    // 由于t2此时还没有释放锁，t1恢复之后尝试获取锁，就可能出现锁竞争从而导致阻塞
                    locker.notify();
                    System.out.println("t2 notify 之后");
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

2.3 wait 和sleep直接的区别：

  • wait提供了一个带有超时的版本，sleep也是能指定时间，都是时间到就继续执行，解除阻塞。
  • wait 和sleep 都可以被提前唤醒，wait通过notify，sleep通过interrupt唤醒
  • 使用wait 在不知道要等多久的前提下使用，所谓超时时间，即兜底的
  • 而使用sleep，要知道具体等多久，能提前唤醒，但是是异常唤醒，=。
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