Java多线程(二) 多线程的锁机制

      当两条线程同时访问一个类的时候，可能会带来一些问题。并发线程重入可能会带来内存泄漏、程序不可控等等。不管是线程间的通讯还是线程共享数据都需要使用Java的锁机制控制并发代码产生的问题。本篇总结主要著名Java的锁机制，阐述多线程下如何使用锁机制进行并发线程沟通。

1、并发下的程序异常

　　先看下下面两个代码，查看异常内容。

　　异常1：单例模式

package com.scl.thread;

public class SingletonException
{
    public static void main(String[] args)
    {
        // 开启十条线程进行分别测试输出类的hashCode,测试是否申请到同一个类
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            new Thread(new Runnable()
            {
                @Override
                public void run()
                {
                    try
                    {
                        Thread.sleep(100); 
                    }
                    catch (InterruptedException e)
                    {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  " + MySingle.getInstance().hashCode());
                }
            }).start();
        }
    }
}

class MySingle
{
    private static MySingle mySingle = null;

    private MySingle()
    {
    }

    public static MySingle getInstance()
    {
        if (mySingle == null) { mySingle = new MySingle(); }
        return mySingle;
    }
}

    运行结果如下：

      

　　由上述可见，Thread-7与其他结果不一致，证明了在多线程并发的情况下这种单例写法存在问题，问题就在第40行。多个线程同时进入了空值判断，线程创建了新的类。

　　异常2：线程重入，引发程序错误

     现在想模拟国企生产规则，每个月生产100件产品，然后当月消费20件，依次更替。模拟该工厂全年的生产与销售

      备注：举这个实例是为后面的信号量和生产者消费者问题做铺垫。可以另外举例，如开辟十条线程，每条线程内的任务就是进行1-10的累加，每条线程输出的结果不一定是55(线程重入导致)

package com.scl.thread;

//每次生产100件产品，每次消费20件产品，生产消费更替12轮
public class ThreadCommunicateCopy
{
    public static void main(String[] args)
    {
        final FactoryCopy factory = new FactoryCopy();
        new Thread(new Runnable()
        {

            @Override
            public void run()
            {
                try
                {
                    Thread.sleep(2000);
                }
                catch (InterruptedException e)
                {
                    e.printStackTrace();
                }

                for (int i = 1; i <= 12; i++)
                {
                    factory.createProduct(i);
                }

            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable()
        {

            @Override
            public void run()
            {
                try
                {
                    Thread.sleep(2000);
                }
                catch (InterruptedException e)
                {
                    e.printStackTrace();
                }

                for (int i = 1; i <= 12; i++)
                {
                    factory.sellProduct(i);
                }

            }
        }).start();

    }
}

class FactoryCopy
{
    //生产产品
    public void createProduct(int i)
    {

        for (int j = 1; j <= 100; j++)
        {
            System.out.println("第" + i + "轮生产，产出" + j + "件");
        }
    }
    //销售产品
    public void sellProduct(int i)
    {
        for (int j = 1; j <= 20; j++)
        {
            System.out.println("第" + i + "轮销售，销售" + j + "件");
        }

    }
}

  结果如下:

    

   该结果不能把销售线程和生产线程的代码分隔开，如果需要分隔开。可以使用Java的锁机制。下面总结下如何处理以上两个问题。

2、使用多线程编程目的及一些Java多线程的基本知识

　　使用多线程无非是期望程序能够更快地完成任务，这样并发编程就必须完成两件事情：线程同步及线程通信。

      线程同步指的是：控制不同线程发生的先后顺序。

      线程通信指的是：不同线程之间如何共享数据。 

　  Java线程的内存模型：每个线程拥有自己的栈，堆内存共享 [来源：Java并发编程艺术 ],如下图所示。 锁是线程间内存和信息沟通的载体，了解线程间通信会对线程锁有个比较深入的了解。后面也会详细总结Java是如何根据锁的信息进行两条线程之间的通信。

          

2、使用Java的锁机制

    Java语音设计和数据库一样，同样存在着代码锁.实现Java代码锁比较简单，一般使用两个关键字对代码进行线程锁定。最常用的就是volatile和synchronized两个

     2.1 synchronized

       synchronized关键字修饰的代码相当于数据库上的互斥锁。确保多个线程在同一时刻只能由一个线程处于方法或同步块中，确保线程对变量访问的可见和排它，获得锁的对象在代码结束后，会对锁进行释放。

       synchronzied使用方法有两个：①加在方法上面锁定方法，②定义synchronized块。

        模拟生产销售循环，可以通过synchronized关键字控制线程同步。代码如下：

      

package com.scl.thread;

//每次生产100件产品，每次消费20件产品，生产消费更替10轮
public class ThreadCommunicate
{
    public static void main(String[] args)
    {
        final FactoryCopy factory = new FactoryCopy();
        new Thread(new Runnable()
        {

            @Override
            public void run()
            {
                try
                {
                    Thread.sleep(2000);
                }
                catch (InterruptedException e)
                {
                    e.printStackTrace();
                }

                for (int i = 1; i <= 12; i++)
                {
                    factory.createProduct(i);
                }

            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable()
        {

            @Override
            public void run()
            {
                try
                {
                    Thread.sleep(2000);
                }
                catch (InterruptedException e)
                {
                    e.printStackTrace();
                }

                for (int i = 1; i <= 12; i++)
                {
                    factory.sellProduct(i);
                }

            }
        }).start();

    }
}

class Factory
{
    private boolean isCreate = true;

    public synchronized void createProduct(int i)
    {
        while (!isCreate)
        {
            try
            {
                this.wait();
            }
            catch (InterruptedException e)
            {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        for (int j = 1; j <= 100; j++)
        {
            System.out.println("第" + i + "轮生产，产出" + j + "件");
        }
        isCreate = false;
        this.notify();
    }

    public synchronized void sellProduct(int i)
    {
        while (isCreate)
        {
            try
            {
                this.wait();
            }
            catch (InterruptedException e)
            {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        for (int j = 1; j <= 20; j++)
        {
            System.out.println("第" + i + "轮销售，销售" + j + "件");
        }
        isCreate = true;
        this.notify();
    }
}

　　上述代码通过synchronized关键字控制生产及销售方法每次只能1条线程进入。代码中使用了isCreate标志位控制生产及销售的顺序。

       注意：即使代码不使用isCreate标志位进行控制，代码只会出现 ：thread-0 生产－－－thread-0 生产－－－ thread-0 生产(生产完毕) －－－thread-1 销售...这种情况，不会出现生产跟销售交替。原因：使用Synchronized关键字对方法进行约束，默认锁定的是对一个的object类，直到代码结束，才会把锁给释放。因此使用该关键字进行限制时不会出现线程交叠现象。

       备注：默认的使用synchronized修饰方法， 关键字会以当前实例对象作为锁对象，对线程进行锁定。

                 单例模式的修改可以在getInstance方式中添加synchronized关键字进行约束，即可。

                wait方法和notify方法将在第三篇线程总结中讲解。

    2.2 volatile

　　volatile关键字主要用来修饰变量，关键字不像synchronized一样，能够块状地对代码进行锁定。该关键字可以看做对修饰的变量进行了读或写的同步操作。

　　如以下代码：

package com.scl.thread;

public class NumberRange
{
    private volatile int unSafeNum;

    public int getUnSafeNum()
    {
        return unSafeNum;
    }

    public void setUnSafeNum(int unSafeNum)
    {
        this.unSafeNum = unSafeNum;
    }

    public int addVersion()
    {
        return this.unSafeNum++;
    }
}

 代码编译后功能如下:

package com.scl.thread;

public class NumberRange
{
    private volatile int unSafeNum;

    public synchronized int getUnSafeNum()
    {
        return unSafeNum;
    }

    public synchronized void setUnSafeNum(int unSafeNum)
    {
        this.unSafeNum = unSafeNum;
    }

    public int addVersion()
    {
        int temp = getUnSafeNum();
        temp = temp + 1;
        setUnSafeNum(temp);
        return temp;
    }

}

    由此可见，使用volatile变量进行自增或自减操作的时候，变量进行temp= temp+1这一步时，多条线程同时可能同时操作这一句代码，导致内容出差。线程代码内的原子性被破坏了。

   单纯使用volatile来控制boolean或者某一个int类型的时候，感觉不出太大的作用。但当volatile在修饰一个对象的时候，对象必须按照步骤进行。在单线程的情况下new一个对象必须进行三步操作：①开辟存储空间 ②初始化 ③使用变量指向该内存。在并发的情况下，虚拟机创建对象可能依据这三步依次执行。可能③在②之前执行，那么就可能会导致程序抛出空指针异常。这时候可以使用volatile保证对象初始化原子性。

  以上是对Java锁机制的总结，如有问题，烦请指出纠正。代码及例子很大一部分参考了《Java 并发编程艺术》[方腾飞 著]