【java】為何要使用同步？關於線程同步(7種方式)

為何要使用同步？

    java允許多執行緒並發控制，當多個執行緒同時操作一個可共享的資源變數（如資料的增刪改查）， 
    將會導致資料不準確，相互之間產生衝突，因此加入同步鎖定以避免在該線程沒有完成操作之前，被其他線程的調用， 
    從而保證了該變數的唯一性和準確性。

1.同步方法 
    即有synchronized關鍵字修飾的方法。 
    由於java的每個物件都有內建鎖定，當使用此關鍵字修飾方法時， 
    內建鎖定會保護整個方法。在呼叫方法前，需要取得內建鎖，否則就處於阻塞狀態。

    程式碼如： 
    public synchronized void save(){}

##    public synchronized void save(){}

##  註： synchronized關鍵字也可以修飾靜態方法，此時若呼叫此靜態方法，將會鎖定整個靜態方法類別
2.同步程式碼區塊 

    即有synchronized關鍵字修飾的語句區塊。

    被該關鍵字修飾的語句區塊會自動被加上內建鎖定，從而實現同步

程式碼如： 

   synchronized(object){ 
    }

    注：同步是一種高開銷的操作，因此應該盡量減少同步的內容。 
    通常沒有必要同步整個方法，使用synchronized程式碼區塊同步關鍵程式碼即可。

    程式碼實例： 

package com.xhj.thread;

    /**
     * 线程同步的运用
     * 
     * @author XIEHEJUN
     * 
     */
    public class SynchronizedThread {

        class Bank {

            private int account = 100;

            public int getAccount() {
                return account;
            }

            /**
             * 用同步方法实现
             * 
             * @param money
             */
            public synchronized void save(int money) {
                account += money;
            }

            /**
             * 用同步代码块实现
             * 
             * @param money
             */
            public void save1(int money) {
                synchronized (this) {
                    account += money;
                }
            }
        }

        class NewThread implements Runnable {
            private Bank bank;

            public NewThread(Bank bank) {
                this.bank = bank;
            }

            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    // bank.save1(10);
                    bank.save(10);
                    System.out.println(i + "账户余额为：" + bank.getAccount());
                }
            }

        }

        /**
         * 建立线程，调用内部类
         */
        public void useThread() {
            Bank bank = new Bank();
            NewThread new_thread = new NewThread(bank);
            System.out.println("线程1");
            Thread thread1 = new Thread(new_thread);
            thread1.start();
            System.out.println("线程2");
            Thread thread2 = new Thread(new_thread);
            thread2.start();
        }

        public static void main(String[] args) {
            SynchronizedThread st = new SynchronizedThread();
            st.useThread();
        }

    }

3.使用特殊領域變數(volatile)實作執行緒同步

##    a.volatile關鍵字為網域變數的存取提供了一種免鎖機制， 
    b.使用volatile修飾域相當於告訴虛擬機器該網域可能會被其他執行緒更新， 
    c.因此每次使用該網域就要重新計算，而不是使用暫存器中的值 
    d.volatile不會提供任何原子操作，它也不能用來修飾final類型的變數 
    d.volatile不會提供任何原子操作，它也不能用來修飾final類型的變數 
    例如： 
        在上面的例子前面加上上volatile修飾，即可實現執行緒同步。

    程式碼實例： 

      //只给出要修改的代码，其余代码与上同
        class Bank {
            //需要同步的变量加上volatile
            private volatile int account = 100;

            public int getAccount() {
                return account;
            }
            //这里不再需要synchronized 
            public void save(int money) {
                account += money;
            }
        ｝

附註：多執行緒中的非同步問題主要出現在對域的讀寫上，如果讓域本身避免這個問題，則不需要修改操作該域的方法。 
    用final域，有鎖定保護的域和volatile域可以避免非同步的問題。 

4.使用重入鎖定實作執行緒同步

    在JavaSE5.0中新增了一個java.util.concurrent套件來支援同步。

    ReentrantLock類別是可重入、互斥、實現了Lock介面的鎖， 

    它與使用synchronized方法和快具有相同的基本行為和語義，並且擴展了其能力

 Lock類別的常用方法有：

        ReentrantLock() : 建立一個ReentrantLock實例 
        lock() 21一個可以創造公平鎖定的建構方法，但由於能大幅降低程式運作效率，不建議使用 
    例如： 
        在範例的基礎上，而改寫後的程式碼為: 
  

//只给出要修改的代码，其余代码与上同
        class Bank {
            
            private int account = 100;
            //需要声明这个锁
            private Lock lock = new ReentrantLock();
            public int getAccount() {
                return account;
            }
            //这里不再需要synchronized 
            public void save(int money) {
                lock.lock();
                try{
                    account += money;
                }finally{
                    lock.unlock();
                }
                
            }
        ｝

  註：關於Lock物件和synchronized關鍵字的選擇： 

        a.最好兩個都不用，使用一種java.util.concurrent套件提供的機制，

            能夠協助使用者處理與鎖定相關的所有程式碼。
        b.如果synchronized關鍵字能滿足使用者的需求，就用synchronized，因為它能簡化程式碼 
        c.如果需要更高階的功能，就用ReentrantLock類，此時要注意及時釋放鎖定會出現死鎖，通常在finally程式碼釋放鎖定 
        

5.使用局部變數實現執行緒同步     如果使用ThreadLocal管理變數，則每個使用該變數的執行緒都獲得此變數的副本， 
    副本之間相互獨立，以便每個執行緒都可以隨意修改自己的變數副本，而不會對其他執行緒產生影響。

    ThreadLocal 類別的常用方法

    ThreadLocal() : 创建一个线程本地变量 
    get() : 返回此线程局部变量的当前线程副本中的值 
    initialValue() : 返回此线程局部变量的当前线程的"初始值" 
    set(T value) : 将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为value

    例如： 
        在上面例子基础上，修改后的代码为：     
    代码实例： 

//只改Bank类，其余代码与上同
        public class Bank{
            //使用ThreadLocal类管理共享变量account
            private static ThreadLocal<Integer> account = new ThreadLocal<Integer>(){
                @Override
                protected Integer initialValue(){
                    return 100;
                }
            };
            public void save(int money){
                account.set(account.get()+money);
            }
            public int getAccount(){
                return account.get();
            }
        }

    注：ThreadLocal与同步机制 
        a.ThreadLocal与同步机制都是为了解决多线程中相同变量的访问冲突问题。 
        b.前者采用以"空间换时间"的方法，后者采用以"时间换空间"的方法

6.使用阻塞队列实现线程同步

    前面5种同步方式都是在底层实现的线程同步，但是我们在实际开发当中，应当尽量远离底层结构。 
    使用javaSE5.0版本中新增的java.util.concurrent包将有助于简化开发。 
    本小节主要是使用LinkedBlockingQueue来实现线程的同步 
    LinkedBlockingQueue是一个基于已连接节点的，范围任意的blocking queue。 
    队列是先进先出的顺序（FIFO），关于队列以后会详细讲解~ 
    
   LinkedBlockingQueue 类常用方法 
    LinkedBlockingQueue() : 创建一个容量为Integer.MAX_VALUE的LinkedBlockingQueue 
    put(E e) : 在队尾添加一个元素，如果队列满则阻塞 
    size() : 返回队列中的元素个数 
    take() : 移除并返回队头元素，如果队列空则阻塞 
    
   代码实例： 
        实现商家生产商品和买卖商品的同步

 1 package com.xhj.thread;
 2 
 3 import java.util.Random;
 4 import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
 5 
 6 /**
 7  * 用阻塞队列实现线程同步 LinkedBlockingQueue的使用
 8  * 
 9  * @author XIEHEJUN
10  * 
11  */
12 public class BlockingSynchronizedThread {
13     /**
14      * 定义一个阻塞队列用来存储生产出来的商品
15      */
16     private LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<Integer>();
17     /**
18      * 定义生产商品个数
19      */
20     private static final int size = 10;
21     /**
22      * 定义启动线程的标志，为0时，启动生产商品的线程；为1时，启动消费商品的线程
23      */
24     private int flag = 0;
25 
26     private class LinkBlockThread implements Runnable {
27         @Override
28         public void run() {
29             int new_flag = flag++;
30             System.out.println("启动线程 " + new_flag);
31             if (new_flag == 0) {
32                 for (int i = 0; i < size; i++) {
33                     int b = new Random().nextInt(255);
34                     System.out.println("生产商品：" + b + "号");
35                     try {
36                         queue.put(b);
37                     } catch (InterruptedException e) {
38                         // TODO Auto-generated catch block
39                         e.printStackTrace();
40                     }
41                     System.out.println("仓库中还有商品：" + queue.size() + "个");
42                     try {
43                         Thread.sleep(100);
44                     } catch (InterruptedException e) {
45                         // TODO Auto-generated catch block
46                         e.printStackTrace();
47                     }
48                 }
49             } else {
50                 for (int i = 0; i < size / 2; i++) {
51                     try {
52                         int n = queue.take();
53                         System.out.println("消费者买去了" + n + "号商品");
54                     } catch (InterruptedException e) {
55                         // TODO Auto-generated catch block
56                         e.printStackTrace();
57                     }
58                     System.out.println("仓库中还有商品：" + queue.size() + "个");
59                     try {
60                         Thread.sleep(100);
61                     } catch (Exception e) {
62                         // TODO: handle exception
63                     }
64                 }
65             }
66         }
67     }
68 
69     public static void main(String[] args) {
70         BlockingSynchronizedThread bst = new BlockingSynchronizedThread();
71         LinkBlockThread lbt = bst.new LinkBlockThread();
72         Thread thread1 = new Thread(lbt);
73         Thread thread2 = new Thread(lbt);
74         thread1.start();
75         thread2.start();
76 
77     }
78 
79 }

注：BlockingQueue定义了阻塞队列的常用方法，尤其是三种添加元素的方法，我们要多加注意，当队列满时：

　　add()方法会抛出异常

　　offer()方法返回false

　　put()方法会阻塞

7.使用原子变量实现线程同步

需要使用线程同步的根本原因在于对普通变量的操作不是原子的。

那么什么是原子操作呢？
原子操作就是指将读取变量值、修改变量值、保存变量值看成一个整体来操作
即-这几种行为要么同时完成，要么都不完成。
在java的util.concurrent.atomic包中提供了创建了原子类型变量的工具类，
使用该类可以简化线程同步。
其中AtomicInteger 表可以用原子方式更新int的值，可用在应用程序中(如以原子方式增加的计数器)，
但不能用于替换Integer；可扩展Number，允许那些处理机遇数字类的工具和实用工具进行统一访问。
AtomicInteger类常用方法：
AtomicInteger(int initialValue) : 创建具有给定初始值的新的AtomicInteger
addAddGet(int dalta) : 以原子方式将给定值与当前值相加
get() : 获取当前值
代码实例：
只改Bank类，其余代码与上面第一个例子同

 1 class Bank {
 2         private AtomicInteger account = new AtomicInteger(100);
 3 
 4         public AtomicInteger getAccount() {
 5             return account;
 6         }
 7 
 8         public void save(int money) {
 9             account.addAndGet(money);
10         }
11     }

补充--原子操作主要有：
　　对于引用变量和大多数原始变量(long和double除外)的读写操作；
　　对于所有使用volatile修饰的变量(包括long和double)的读写操作。

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关于Java线程同步和同步方法的详解

详解Java多线程编程中的线程同步方法

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