java多线程-线程安全

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花丶小伟
0.1 2017.09.30 17:57* 字数 2117

什么是线程安全和线程不安全

  • 线程安全就是多线程访问时,采用了加锁机制,当一个线程访问该类的某个数据时,进行保护,其他线程不能进行访问直到该线程读取完,其他线程才可使用。不会出现数据不一致或者数据污染。
  • 线程不安全就是不提供数据访问保护,有可能出现多个线程先后更改数据造成所得到的数据是脏数据。

java内置的线程锁机制

关键字synchronized

  • synchronized是java中的一个关键字,也就是说是Java语言内置的特性。
  • 实现方式

加同步格式:
synchronized( 需要一个任意的对象(锁) ){
代码块中放操作共享数据的代码。
}

  • synchronized的缺陷
    • 如果一个代码块被synchronized修饰了,当一个线程获取了对应的锁,并执行该代码块时,其他线程便只能一直等待,等待获取锁的线程释放锁,而这里获取锁的线程释放锁只会有两种情况:
      • 获取锁的线程执行完了该代码块,然后线程释放对锁的占有;
      • 线程执行发生异常,此时JVM会让线程自动释放锁。
    • 例子1:

如果这个获取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,其他线程便只能干巴巴地等待,试想一下,这多么影响程序执行效率。
  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或者能够响应中断),通过Lock就可以办到。

- 例子2:

当有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。
  但是采用synchronized关键字来实现同步的话,就会导致一个问题:
如果多个线程都只是进行读操作,当一个线程在进行读操作时,其他线程只能等待无法进行读操作。
- 因此就需要一种机制来使得多个线程都只是进行读操作时,线程之间不会发生冲突,通过Lock就可以办到。
- 另外,通过Lock可以知道线程有没有成功获取到锁。这个是synchronized无法办到的。
- 总的来说,也就是说Lock提供了比synchronized更多的功能。

Lock

  • 首先要说明的就是Lock,通过查看Lock的源码可知,Lock是一个接口
public interface Lock {
    void lock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
    }
  • Lock接口中每个方法的使用:

    • lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit)、lockInterruptibly()是用来获取锁的。
    • unLock()方法是用来释放锁的。
  • 四个获取锁方法的区别:

    • lock()方法
      • 是平常使用得最多的一个方法,就是用来获取锁。如果锁已被其他线程获取,则进行等待。
      • 由于在前面讲到如果采用Lock,必须主动去释放锁,并且在发生异常时,不会自动释放锁。因此一般来说,使用Lock必须在try{}catch{}块中进行,并且将释放锁的操作放在finally块中进行,以保证锁一定被被释放,防止死锁的发生。
    • tryLock()方法
      • 是有返回值的,它表示用来尝试获取锁,如果获取成功,则返回true,如果获取失败(即锁已被其他线程获取),则返回false,也就说这个方法无论如何都会立即返回。在拿不到锁时不会一直在那等待。
    • tryLock(long time, TimeUnit unit)方法
      • 和tryLock()方法是类似的,只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间,在时间期限之内如果还拿不到锁,就返回false。如果如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁,则返回true。
    • lockInterruptibly()方法
      • 比较特殊,当通过这个方法去获取锁时,如果线程正在等待获取锁,则这个线程能够响应中断,即中断线程的等待状态。也就使说,当两个线程同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时,假若此时线程A获取到了锁,而线程B只有等待,那么对线程B调用threadB.interrupt()方法能够中断线程B的等待过程。
      • 注意,当一个线程获取了锁之后,是不会被interrupt()方法中断的。
      • 因此当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时,如果不能获取到,只有进行等待的情况下,是可以响应中断的。
      • 而用synchronized修饰的话,当一个线程处于等待某个锁的状态,是无法被中断的,只有一直等待下去。
  • Lock和synchronized的区别

    • Lock不是Java语言内置的,synchronized是Java语言的关键字,因此是内置特性。Lock是一个类,通过这个类可以实现同步访问;
    • Lock和synchronized有一点非常大的不同,采用synchronized不需要用户去手动释放锁,当synchronized方法或者synchronized代码块执行完之后,系统会自动让线程释放对锁的占用;而Lock则必须要用户去手动释放锁,如果没有主动释放锁,就有可能导致出现死锁现象。

ReentrantLock

  • 直接使用lock接口的话,我们需要实现很多方法,不太方便,ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类,并且ReentrantLock提供了更多的方法,ReentrantLock,意思是“可重入锁”。
lock()的使用方法
import java.util.ArrayList;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class MyLockTest {
    private static ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
    static Lock lock = new ReentrantLock(); // 注意这个地方
    public static <E> void main(String[] args) {
        new Thread() {
            public void run() {
                Thread thread = Thread.currentThread();
                
                lock.lock();
                try {
                    System.out.println(thread.getName() + "得到了锁");
                    for (int i = 0; i < 5; i++) {
                        arrayList.add(i);
                    }
                } catch (Exception e) {
                    // TODO: handle exception
                } finally {
                    System.out.println(thread.getName() + "释放了锁");
                    lock.unlock();
                }

            };
        }.start();
        
        new Thread() {
            public void run() {
                Thread thread = Thread.currentThread();
                lock.lock();
                try {
                    System.out.println(thread.getName() + "得到了锁");
                    for (int i = 0; i < 5; i++) {
                        arrayList.add(i);
                    }
                } catch (Exception e) {
                    // TODO: handle exception
                } finally {
                    System.out.println(thread.getName() + "释放了锁");
                    lock.unlock();
                }

            };
        }.start();
    }

}
tryLock()的使用方法
import java.util.ArrayList;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 观察现象:一个线程获得锁后,另一个线程取不到锁,不会一直等待
 * @author
 *
 */
public class MyTryLock {

    private static ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
    static Lock lock = new ReentrantLock(); // 注意这个地方
    public static void main(String[] args) {
        
        new Thread() {
            public void run() {
                Thread thread = Thread.currentThread();
                boolean tryLock = lock.tryLock();
                System.out.println(thread.getName()+" "+tryLock);
                if (tryLock) {
                    try {
                        System.out.println(thread.getName() + "得到了锁");
                        for (int i = 0; i < 5; i++) {
                            arrayList.add(i);
                        }
                    } catch (Exception e) {
                        // TODO: handle exception
                    } finally {
                        System.out.println(thread.getName() + "释放了锁");
                        lock.unlock();
                    }
                }
            };
        }.start();

        new Thread() {
            public void run() {
                Thread thread = Thread.currentThread();
                boolean tryLock = lock.tryLock();
                System.out.println(thread.getName()+" "+tryLock);
                if (tryLock) {
                    try {
                        System.out.println(thread.getName() + "得到了锁");
                        for (int i = 0; i < 5; i++) {
                            arrayList.add(i);
                        }
                    } catch (Exception e) {
                        // TODO: handle exception
                    } finally {
                        System.out.println(thread.getName() + "释放了锁");
                        lock.unlock();
                    }
                }

            };
        }.start();
    }


}
lockInterruptibly()响应中断的使用方法
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 观察现象:如果thread-0得到了锁,阻塞。。。thread-1尝试获取锁,如果拿不到,则可以被中断等待
 * @author
 *
 */
public class MyInterruptibly {
     private Lock lock = new ReentrantLock();  
     
        public static void main(String[] args)  {
            MyInterruptibly test = new MyInterruptibly();
            MyThread thread0 = new MyThread(test);
            MyThread thread1 = new MyThread(test);
            thread0.start();
            thread1.start();
             
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            thread1.interrupt();
            System.out.println("=====================");
        }  
         
        public void insert(Thread thread) throws InterruptedException{
            lock.lockInterruptibly();   //注意,如果需要正确中断等待锁的线程,必须将获取锁放在外面,然后将InterruptedException抛出
            try {  
                System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
                long startTime = System.currentTimeMillis();
                for(    ;     ;) {
                    if(System.currentTimeMillis() - startTime >= Integer.MAX_VALUE)
                        break;
                    //插入数据
                }
            }
            finally {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"执行finally");
                lock.unlock();
                System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
            }  
        }
    }
     
    class MyThread extends Thread {
        private MyInterruptibly test = null;
        public MyThread(MyInterruptibly test) {
            this.test = test;
        }
        @Override
        public void run() {
             
            try {
                test.insert(Thread.currentThread());
            } catch (Exception e) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被中断");
            }
        }

}

ReadWriteLock读写锁

  • ReadWriteLock也是一个接口,在它里面只定义了两个方法.

public interface ReadWriteLock {
/**
* Returns the lock used for reading.
*
* @return the lock used for reading.
*/
Lock readLock();

/**
 * Returns the lock used for writing.
 *
 * @return the lock used for writing.
 */
Lock writeLock();

}

  • 一个用来获取读锁,一个用来获取写锁。也就是说将文件的读写操作分开,分成2个锁来分配给线程,从而使得多个线程可以同时进行读操作。

ReentrantReadWriteLock

  • ReentrantReadWriteLock里面提供了很多丰富的方法,不过最主要的有两个方法:readLock()和writeLock()用来获取读锁和写锁。
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

/**
 * 使用读写锁,可以实现读写分离锁定,读操作并发进行,写操作锁定单个线程
 * 
 * 如果有一个线程已经占用了读锁,则此时其他线程如果要申请写锁,则申请写锁的线程会一直等待释放读锁。
 * 如果有一个线程已经占用了写锁,则此时其他线程如果申请写锁或者读锁,则申请的线程会一直等待释放写锁。
 * @author
 *
 */
public class MyReentrantReadWriteLock {
     private ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
     
        public static void main(String[] args)  {
            final MyReentrantReadWriteLock test = new MyReentrantReadWriteLock();
             
            new Thread(){
                public void run() {
                    test.get(Thread.currentThread());
                    test.write(Thread.currentThread());
                };
            }.start();
             
            new Thread(){
                public void run() {
                    test.get(Thread.currentThread());
                    test.write(Thread.currentThread());
                };
            }.start();
             
        }  
        
        /**
         * 读操作,用读锁来锁定
         * @param thread
         */
        public void get(Thread thread) {
            rwl.readLock().lock();
            try {
                long start = System.currentTimeMillis();
                 
                while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {
                    System.out.println(thread.getName()+"正在进行读操作");
                }
                System.out.println(thread.getName()+"读操作完毕");
            } finally {
                rwl.readLock().unlock();
            }
        }

        /**
         * 写操作,用写锁来锁定
         * @param thread
         */
        public void write(Thread thread) {
            rwl.writeLock().lock();;
            try {
                long start = System.currentTimeMillis();
                 
                while(System.currentTimeMillis() - start <= 1) {
                    System.out.println(thread.getName()+"正在进行写操作");
                }
                System.out.println(thread.getName()+"写操作完毕");
            } finally {
                rwl.writeLock().unlock();
            }
        }
}

注意事项

  • 如果有一个线程已经占用了读锁,则此时其他线程如果要申请写锁,则申请写锁的线程会一直等待释放读锁。
  • 如果有一个线程已经占用了写锁,则此时其他线程如果申请写锁或者读锁,则申请的线程会一直等待释放写锁。

Lock和synchronized的选择

  1. Lock是一个接口,而synchronized是Java中的关键字,synchronized是内置的语言实现;
  2. synchronized在发生异常时,会自动释放线程占有的锁,因此不会导致死锁现象发生;而Lock在发生异常时,如果没有主动通过unLock()去释放锁,则很可能造成死锁现象,因此使用Lock时需要在finally块中释放锁;
  3. Lock可以让等待锁的线程响应中断,而synchronized却不行,使用synchronized时,等待的线程会一直等待下去,不能够响应中断;
  4. 通过Lock可以知道有没有成功获取锁,而synchronized却无法办到.
  5. Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。
  6. 在性能上来说,如果竞争资源不激烈,两者的性能是差不多的,而当竞争资源非常激烈时(即有大量线程同时竞争),此时Lock的性能要远远优于synchronized。所以说,在具体使用时要根据适当情况选择。
java
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