java如何同步

為何要實現同步

#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時（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，因此加入同步鎖以避免在該執行緒沒有完成操作之前，被其他執行緒的調用，從而保證了該變數的唯一性和準確性。

一、實例

舉個例子，如果一個銀行帳戶同時被兩個執行緒操作，一個取100塊，一個存錢100塊。假設帳戶原本有0塊，如果取錢線程和存錢線程同時發生，會出現什麼結果呢？取錢不成功，帳戶餘額是100。取錢成功了，帳戶餘額是0。但哪個餘額對應哪個呢？很難說清楚，因此多執行緒的同步問題就應運而生。

二、不使用同步的情況

舉個例子，如果一個銀行帳戶同時被兩個執行緒操作，一個取100塊，一個存錢100塊。假設帳戶原本有0塊，如果取錢線程和存錢線程同時發生，會出現什麼結果呢？取錢不成功，帳戶餘額是100.取錢成功了，帳戶餘額是0。但哪個餘額對應哪個呢？很難說清楚，因此多執行緒的同步問題就應運而生。

public class Bank {
   private int count =0;//账户余额
   
   //存钱
   public  void addMoney(int money){
       count +=money;
       System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money);
   }
    
    //取钱
    public  void subMoney(int money){
        if(count-money < 0){
            System.out.println("余额不足");
            return;
        }
        count -=money;
        System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
    }
    
    //查询
    public void lookMoney(){
        System.out.println("账户余额："+count);
    }
}

package threadTest;
public class SyncThreadTest {
public static void main(String args[]){
final Bank bank=new Bank();
Thread tadd=new Thread(new Runnable() {
    
    @Override
    public void run() {
        // TODO Auto-generated method stub
        while(true){
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
            bank.addMoney(100);
            bank.lookMoney();
            System.out.println("\n");
            
        }
    }
});
Thread tsub = new Thread(new Runnable() {
    
    @Override
    public void run() {
        // TODO Auto-generated method stub
        while(true){
            bank.subMoney(100);
            bank.lookMoney();
            System.out.println("\n");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }    
        }
    }
});
tsub.start();
tadd.start();
}
}

執行結果：

1502542307917取出：100
账号余额：100
1502542308917存进:100
1502542308917取出：100
账号余额：0
账号余额：0
1502542309917存进:100
账号余额：0
1502542309917取出：100
账号余额：0

此時出現了非執行緒安全性問題，因為兩個執行緒同時存取一個沒有同步的方法，如果這兩個執行緒同時操作業務物件中的實例變量，就有可能出現非線程安全問題。

解：只要在public void run()前面加上synchronized關鍵字即可。

三、同步方法

synchronized關鍵字修飾方法

即有synchronized關鍵字修飾的方法。由於java的每個物件都有內建鎖，當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(){}

附註： synchronized關鍵字也可以修飾靜態方法，此時若呼叫該靜態方法，將會鎖定整個類別。

public class Bank {
private int count =0;//账户余额
//存钱
public  synchronized void addMoney(int money){
count +=money;
System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money);
}
//取钱
public  synchronized void subMoney(int money){
if(count-money < 0){
    System.out.println("余额不足");
    return;
}
count -=money;
System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
}
//查询
public void lookMoney(){
System.out.println("账户余额："+count);
}
}

執行結果：

余额不足
账号余额：0
1502543814934存进:100
账号余额：100
1502543815934存进:100
账号余额：200
1502543815934取出：100
账号余额：100

這樣就實作了執行緒同步

#同步程式碼區塊

##即有synchronized關鍵字修飾的語句塊。

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){ 
}

註：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。

public class Bank {
private int count =0;//账户余额
//存钱
public  void addMoney(int money){
synchronized (this) {
    count +=money;
}
System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money);
}
//取钱
public   void subMoney(int money){
synchronized (this) {
    if(count-money < 0){
        System.out.println("余额不足");
        return;
    }
    count -=money;
}
System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
}
//查询
public void lookMoney(){
System.out.println("账户余额："+count);
}
}

運行結果如下：

余额不足
账户余额：0
余额不足
账户余额：100
1502544966411存进：100
账户余额：100
1502544967411存进：100
账户余额：100
1502544967411取出：100
账户余额：100
1502544968422取出：100

這樣也實現了線程同步，運行效率上來說也比方法同步效率高，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。

使用特殊域變數(volatile)實作執行緒同步

a.volatile關鍵字為成員變數變數的存取提供了一個免鎖機制；

b.使用volatile修飾成員變數相當於告訴虛擬機器該域可能會被其他執行緒更新；

c.因此每次使用該成員變數就要重新計算，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。

Bank.java程式碼如下：

package com.thread.demo;
/**
* Created by HJS on 2017/8/12.
*/
public class Bank {
private volatile int count =0;//账户余额
//存钱
public  void addMoney(int money){
synchronized (this) {
    count +=money;
}
System.out.println(System.currentTimeMillis()+"存进："+money);
}
//取钱
public   void subMoney(int money){
synchronized (this) {
    if(count-money < 0){
        System.out.println("余额不足");
        return;
    }
    count -=money;
}
System.out.println(+System.currentTimeMillis()+"取出："+money);
}
//查询
public void lookMoney(){
System.out.println("账户余额："+count);
}
}

運行結果：

余额不足
账户余额：0
余额不足
账户余额：100
1502546287474存进：100
账户余额：100
1502546288474存进：100
1502546288474取出：100
账户余额：100

此時，順序又亂了，說明同步又出現了問題，因為volatile不能保證原子操作導致的，因此volatile不能代替synchronized。另外volatile會組織編譯器對程式碼最佳化，因此能不使用它就不適用它吧。它的原理是每次要執行緒要存取volatile修飾的變數時都是從記憶體中讀取，而不是儲存快取當中讀取，因此每個執行緒存取到的變數值都是一樣的。這樣就保證同步了。

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。

ReenreantLock類別的常用方法有：

ReentrantLock() : 建立一個ReentrantLock實例 

lock() : 取得鎖定 

unlock() : 釋放鎖定 

註：ReentrantLock()還有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。

Bank.java程式碼修改如下：

public class Bank {
private  int count = 0;// 账户余额
//需要声明这个锁
private Lock lock = new ReentrantLock();
// 存钱
public void addMoney(int money) {
lock.lock();//上锁
try{
    count += money;
    System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进：" + money);
}finally{
    lock.unlock();//解锁
}
}
// 取钱
public void subMoney(int money) {
lock.lock();
try{
    if (count - money < 0) {
        System.out.println("余额不足");
        return;
    }
    count -= money;
    System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money);
}finally{
    lock.unlock();
}
}
// 查询
public void lookMoney() {
System.out.println("账户余额：" + count);
}
}

運行結果：

余额不足
账户余额：0
1502547439892存进：100
账户余额：100
1502547440892存进：100
账户余额：200
1502547440892取出：100
账户余额：100

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，能夠幫助使用者處理所有與鎖定相關的程式碼。 

b.如果synchronized关键字能满足用户的需求，就用synchronized，因为它能简化代码。

c.如果需要更高级的功能，就用ReentrantLock类，此时要注意及时释放锁，否则会出现死锁，通常在finally代码释放锁 。

使用局部变量实现线程同步

代码如下：

public class Bank {
private static ThreadLocal<Integer> count = new ThreadLocal<Integer>(){
@Override
protected Integer initialValue() {
    // TODO Auto-generated method stub
    return 0;
}
};
// 存钱
public void addMoney(int money) {
count.set(count.get()+money);
System.out.println(System.currentTimeMillis() + "存进：" + money);
}
// 取钱
public void subMoney(int money) {
if (count.get() - money < 0) {
    System.out.println("余额不足");
    return;
}
count.set(count.get()- money);
System.out.println(+System.currentTimeMillis() + "取出：" + money);
}
// 查询
public void lookMoney() {
System.out.println("账户余额：" + count.get());
}
}

运行结果如下：

复制代码
余额不足
账户余额：0
余额不足
1502547748383存进：100
账户余额：100
账户余额：0
余额不足
账户余额：0
1502547749383存进：100
账户余额：200

看了运行效果，一开始一头雾水，怎么只让存，不让取啊？看看ThreadLocal的原理：

如果使用ThreadLocal管理变量，则每一个使用该变量的线程都获得该变量的副本，副本之间相互独立，这样每一个线程都可以随意修改自己的变量副本，而不会对其他线程产生影响。现在明白了吧，原来每个线程运行的都是一个副本，也就是说存钱和取钱是两个账户，知识名字相同而已。所以就会发生上面的效果。

ThreadLocal 类的常用方法

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

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"的方式。

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