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Java多线程（二） —— 线程安全、线程同步、线程间通信（含面试题集）

2024-10-16 07:59:02   214人阅读

一、线程安全

多个线程在执行同一段代码的时候，每次的执行结果和单线程执行的结果都是一样的，不存在执行结果的二义性，就可以称作是线程安全的。

讲到线程安全问题，其实是指多线程环境下对共享资源的访问可能会引起此共享资源的不一致性。因此，为避免线程安全问题，应该避免多线程环境下对此共享资源的并发访问。

线程安全问题多是由全局变量和静态变量引起的，当多个线程对共享数据只执行读操作，不执行写操作时，一般是线程安全的；当多个线程都执行写操作时，需要考虑线程同步来解决线程安全问题。

 

二、线程同步（synchronized/Lock）

线程同步：将操作共享数据的代码行作为一个整体，同一时间只允许一个线程执行，执行过程中其他线程不能参与执行。目的是为了防止多个线程访问一个数据对象时，对数据造成的破坏。

（1）同步方法（synchronized）

对共享资源进行访问的方法定义中加上synchronized关键字修饰，使得此方法称为同步方法。可以简单理解成对此方法进行了加锁，其锁对象为当前方法所在的对象自身。多线程环境下，当执行此方法时，首先都要获得此同步锁（且同时最多只有一个线程能够获得），只有当线程执行完此同步方法后，才会释放锁对象，其他的线程才有可能获取此同步锁，以此类推...格式如下：

public synchronized void run() {        
     // ....
}

 

（2）同步代码块（synchronized）

使用同步方法时，使得整个方法体都成为了同步执行状态，会使得可能出现同步范围过大的情况，于是，针对需要同步的代码可以直接另一种同步方式——同步代码块来解决。格式如下：

synchronized (obj) {        
     // ....
}

其中，obj为锁对象，因此，选择哪一个对象作为锁是至关重要的。一般情况下，都是选择此共享资源对象作为锁对象。

 

（3）同步锁（Lock）

 使用Lock对象同步锁可以方便地解决选择锁对象的问题，唯一需要注意的一点是Lock对象需要与资源对象同样具有一对一的关系。Lock对象同步锁一般格式为：

class X {
    // 显示定义Lock同步锁对象，此对象与共享资源具有一对一关系
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    
    public void m(){
        // 加锁
        lock.lock();
        
        //...  需要进行线程安全同步的代码
        
        // 释放Lock锁
        lock.unlock();
    }
}

 

什么时候需要同步：

（1）可见性同步：在以下情况中必须同步： 1）读取上一次可能是由另一个线程写入的变量 ；2）写入下一次可能由另一个线程读取的变量

（2）一致性同步：当修改多个相关值时，您想要其它线程原子地看到这组更改—— 要么看到全部更改，要么什么也看不到。

这适用于相关数据项（如粒子的位置和速率）和元数据项（如链表中包含的数据值和列表自身中的数据项的链）。

在某些情况中，您不必用同步来将数据从一个线程传递到另一个，因为 JVM 已经隐含地为您执行同步。这些情况包括：

  1. 由静态初始化器（在静态字段上或 static{} 块中的初始化器）
  2. 初始化数据时 
  3. 访问 final 字段时
  4. 在创建线程之前创建对象时 
  5. 线程可以看见它将要处理的对象时

 

锁的原理：

  • Java中每个对象都有一个内置锁
  • 当程序运行到非静态的synchronized同步方法上时，自动获得与正在执行代码类的当前实例（this实例）有关的锁。获得一个对象的锁也称为获取锁、锁定对象、在对象上锁定或在对象上同步。
  • 当程序运行到synchronized同步方法或代码块时才该对象锁才起作用。
  • 一个对象只有一个锁。所以，如果一个线程获得该锁，就没有其他线程可以获得锁，直到第一个线程释放（或返回）锁。这也意味着任何其他线程都不能进入该对象上的synchronized方法或代码块，直到该锁被释放。
  • 释放锁是指持锁线程退出了synchronized同步方法或代码块。
锁与同步要点：
1）、只能同步方法，而不能同步变量和类；
2）、每个对象只有一个锁；当提到同步时，应该清楚在什么上同步？也就是说，在哪个对象上同步？
3）、不必同步类中所有的方法，类可以同时拥有同步和非同步方法。
4）、如果两个线程要执行一个类中的synchronized方法，并且两个线程使用相同的实例来调用方法，那么一次只能有一个线程能够执行方法，另一个需要等待，直到锁被释放。也就是说：如果一个线程在对象上获得一个锁，就没有任何其他线程可以进入（该对象的）类中的任何一个同步方法。
5）、如果线程拥有同步和非同步方法，则非同步方法可以被多个线程自由访问而不受锁的限制。
6）、线程睡眠时，它所持的任何锁都不会释放。
7）、线程可以获得多个锁。比如，在一个对象的同步方法里面调用另外一个对象的同步方法，则获取了两个对象的同步锁。
8）、同步损害并发性，应该尽可能缩小同步范围。同步不但可以同步整个方法，还可以同步方法中一部分代码块。
9）、在使用同步代码块时候，应该指定在哪个对象上同步，也就是说要获取哪个对象的锁。
10）、同步静态方法，需要一个用于整个类对象的锁，这个对象是就是这个类（XXX.class)。
 
线程不能获得锁会怎么样：如果线程试图进入同步方法，而其锁已经被占用，则线程在该对象上被阻塞。实质上，线程进入该对象的的一种池中，必须在哪里等待，直到其锁被释放，该线程再次变为可运行或运行为止。
 
线程死锁：当两个线程被阻塞，每个线程都在等待另一个线程时就发生死锁。有一些设计方法能帮助避免死锁，如始终按照预定义的顺序获取锁这一策略。
 
线程同步小结
 
1、线程同步的目的是为了保护多个线程反问一个资源时对资源的破坏。
2、线程同步方法是通过锁来实现，每个对象都有且仅有一个锁，这个锁与一个特定的对象关联，线程一旦获取了对象锁，其他访问该对象的线程就无法再访问该对象的其他同步方法。
3、对于静态同步方法，锁是针对这个类的，锁对象是该类的Class对象。静态和非静态方法的锁互不干预。一个线程获得锁，当在一个同步方法中访问另外对象上的同步方法时，会获取这两个对象锁。
4、对于同步，要时刻清醒在哪个对象上同步，这是关键。
5、编写线程安全的类，需要时刻注意对多个线程竞争访问资源的逻辑和安全做出正确的判断，对“原子”操作做出分析，并保证原子操作期间别的线程无法访问竞争资源。
6、当多个线程等待一个对象锁时，没有获取到锁的线程将发生阻塞。
7、死锁是线程间相互等待锁锁造成的，在实际中发生的概率非常的小。真让你写个死锁程序，不一定好使，呵呵。但是，一旦程序发生死锁，程序将死掉。
 

三、线程通信：wait()/notify()/notifyAll()

wait()：导致当前线程等待并使其进入到等待阻塞状态。直到其他线程调用该同步锁对象的notify()或notifyAll()方法来唤醒此线程。

  • void wait(long timeout) -- 导致当前线程等待，直到其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法，或者超过指定的时间量。 
  • void wait(long timeout, int nanos) -- 导致当前线程等待，直到其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法，或者其他某个线程中断当前线程，或者已超过某个实际时间量。

notify()：唤醒在此同步锁对象上等待的单个线程，如果有多个线程都在此同步锁对象上等待，则会任意选择其中某个线程进行唤醒操作，只有当前线程放弃对同步锁对象的锁定，才可能执行被唤醒的线程。

notifyAll()：唤醒在此同步锁对象上等待的所有线程，只有当前线程放弃对同步锁对象的锁定，才可能执行被唤醒的线程。

　　这三个方法主要都是用于多线程中，但实际上都是Object类中的本地方法。因此，理论上，任何Object对象都可以作为这三个方法的主调，在实际的多线程编程中，只有同步锁对象调这三个方法，才能完成对多线程间的线程通信。

 

注意点：

1.wait()方法执行后，当前线程立即进入到等待阻塞状态，其后面的代码不会执行；

2.notify()/notifyAll()方法执行后，将唤醒此同步锁对象上的（任意一个-notify()/所有-notifyAll()）线程对象，但是，此时还并没有释放同步锁对象，也就是说，如果notify()/notifyAll()后面还有代码，还会继续进行，知道当前线程执行完毕才会释放同步锁对象；

3.notify()/notifyAll()执行后，如果右面有sleep()方法，则会使当前线程进入到阻塞状态，但是同步对象锁没有释放，依然自己保留，那么一定时候后还是会继续执行此线程，接下来同2；

4.wait()/notify()/nitifyAll()完成线程间的通信或协作都是基于不同对象锁的，因此，如果是不同的同步对象锁将失去意义，同时，同步对象锁最好是与共享资源对象保持一一对应关系；

5.当wait线程唤醒后并执行时，是接着上次执行到的wait()方法代码后面继续往下执行的。

 

四、相关面试题

1. 线程和进程有什么区别？
答：一个进程是一个独立(self contained)的运行环境，它可以被看作一个程序或者一个应用。而线程是在进程中执行的一个任务。线程是进程的子集，一个进程可以有很多线程，每条线程并行执行不同的任务。不同的进程使用不同的内存空间，而所有的线程共享一片相同的内存空间。别把它和栈内存搞混，每个线程都拥有单独的栈内存用来存储本地数据。

2. 如何在Java中实现线程？比较这种种方式
答：创建线程有两种方式：
（1）继承 Thread 类，扩展线程。
（2）实现 Runnable 接口。

继承Thread类的方式有它固有的弊端，因为Java中继承的单一性，继承了Thread类就不能继承其他类了；同时也不符合继承的语义，Dog跟Thread没有直接的父子关系，继承Thread只是为了能拥有一些功能特性。

而实现Runnable接口，①避免了单一继承的局限性，②同时更符合面向对象的编程方式，即将线程对象进行单独的封装，③而且实现接口的方式降低了线程对象(Dog)和线程任务(run方法中的代码)的耦合性，④如上面所述，可以使用同一个Dog类的实例来创建并开启多个线程，非常方便的实现资源的共享。实际上Thread类也是实现了Runnable接口。实际开发中多是使用实现Runnable接口的方式。

3. 启动一个线程是调用run()还是start()方法？
答：启动一个线程是调用start()方法，使线程所代表的虚拟处理机处于可运行状态，这意味着它可以由JVM 调度并执行，这并不意味着线程就会立即运行。run()方法是线程启动后要进行回调（callback）的方法。

4. wai()t和sleep()比较

共同点： 
1). 他们都是在多线程的环境下，sleep()方法和对象的wait()方法都可以让线程暂停执行，都可以在程序的调用处阻塞指定的毫秒数，并返回。 
2). wait()和sleep()都可以通过interrupt()方法打断线程的暂停状态 ，从而使线程立刻抛出InterruptedException。 
如果线程A希望立即结束线程B，则可以对线程B对应的Thread实例调用interrupt方法。如果此刻线程B正在wait/sleep /join，则线程B会立刻抛出InterruptedException，在catch() {} 中直接return即可安全地结束线程。 需要注意的是，InterruptedException是线程自己从内部抛出的，并不是interrupt()方法抛出的。对某一线程调用 interrupt()时，如果该线程正在执行普通的代码，那么该线程根本就不会抛出InterruptedException。但是，一旦该线程进入到 wait()/sleep()/join()后，就会立刻抛出InterruptedException 。 

不同点： 
1). Thread类的方法：sleep(),yield()等 
     Object类的方法：wait()和notify()等 
2). 每个对象都有一个锁来控制同步访问。Synchronized关键字可以和对象的锁交互，来实现线程的同步。 
     sleep()方法让当前线程暂停执行指定的时间，将执行机会（CPU）让给其他线程，但是对象的锁依然保持，休眠结束后线程会自动回到就绪状态;

     wait()方法导致当前线程放弃对象的锁（线程暂停执行），进入对象的等待池（wait pool），只有调用对象的notify()方法（或notifyAll()方法）时才能唤醒等待池中的线程进入等锁池（lock pool），如果线程重新获得对象的锁就可以进入就绪状态。
3). wait，notify和notifyAll只能在同步控制方法或者同步控制块里面使用，而sleep可以在任何地方使用 
4). sleep必须捕获异常，而wait，notify和notifyAll不需要捕获异常
所以sleep()和wait()方法的最大区别是：
　　sleep()睡眠时，保持对象锁，仍然占有该锁；
　　而wait()睡眠时，释放对象锁。
但是wait()和sleep()都可以通过interrupt()方法打断线程的暂停状态，从而使线程立刻抛出InterruptedException（但不建议使用该方法）。

5. sleep()方法和yield()方法有什么区别？
① sleep()方法给其他线程运行机会时不考虑线程的优先级，因此会给低优先级的线程以运行的机会；yield()方法只会给相同优先级或更高优先级的线程以运行的机会；
② 线程执行sleep()方法后转入阻塞（blocked）状态，而执行yield()方法后转入就绪（ready）状态；
③ sleep()方法需要声明抛出InterruptedException，而yield()方法没有声明任何异常；
④ sleep()方法比yield()方法（跟操作系统CPU调度相关）具有更好的可移植性。

6. 线程类的一些常用方法： 

  • sleep(): 强迫一个线程睡眠Ｎ毫秒，是一个静态方法，调用此方法要处理InterruptedException异常；
  • join():  让一个线程等待另一个线程完成才继续执行；
  • yeild(): 线程让步，暂停当前正在执行的线程对象让出CPU资源，将当前线程从运行状态转换到就绪状态并执行其他优先级相同或更高的线程；
  • isAlive(): 判断一个线程是否存活。 
  • activeCount(): 程序中活跃的线程数。 
  • enumerate(): 枚举程序中的线程。 
  • currentThread(): 得到当前线程。 
  • isDaemon(): 一个线程是否为守护线程。 
  • setDaemon(): 设置一个线程为守护线程。(用户线程和守护线程的区别在于，是否等待主线程依赖于主线程结束而结束) 
  • setName(): 为线程设置一个名称。 
  • setPriority(): 设置一个线程的优先级。
  • wait()：使一个线程处于等待（阻塞）状态，并且释放所持有的对象的锁；
  • notify()：唤醒一个处于等待状态的线程，当然在调用此方法的时候，并不能确切的唤醒某一个等待状态的线程，而是由JVM确定唤醒哪个线程，而且与优先级无关；
  • notityAll()：唤醒所有处于等待状态的线程，该方法并不是将对象的锁给所有线程，而是让它们竞争，只有获得锁的线程才能进入就绪状态；

7. 同步代码块和同步方法的区别

　　两者的区别主要体现在同步锁上面。对于实例的同步方法，因为只能使用this来作为同步锁，如果一个类中需要使用到多个锁，为了避免锁的冲突，必然需要使用不同的对象，这时候同步方法不能满足需求，只能使用同步代码块(同步代码块可以传入任意对象)；或者多个类中需要使用到同一个锁，这时候多个类的实例this显然是不同的，也只能使用同步代码块，传入同一个对象。

8. 对比synchronized和Lock

1)、synchronized是关键字，就和if...else...一样，是语法层面的实现，因此synchronized获取锁以及释放锁都是Java虚拟机帮助用户完成的；ReentrantLock是类层面的实现，因此锁的获取以及锁的释放都需要用户自己去操作。特别再次提醒，ReentrantLock在lock()完了，一定要手动unlock()，一般放在finally语句块中。

2)、synchronized简单，简单意味着不灵活，而ReentrantLock的锁机制给用户的使用提供了极大的灵活性。这点在Hashtable和ConcurrentHashMap中体现得淋漓尽致。synchronized一锁就锁整个Hash表，而ConcurrentHashMap则利用ReentrantLock实现了锁分离，锁的只是segment而不是整个Hash表

3)、synchronized是不公平锁，而ReentrantLock可以指定锁是公平的还是非公平的

4)、synchronized实现等待/通知机制通知的线程是随机的，ReentrantLock实现等待/通知机制可以有选择性地通知

5)、和synchronized相比，ReentrantLock提供给用户多种方法用于锁信息的获取，比如可以知道lock是否被当前线程获取、lock被同一个线程调用了几次、lock是否被任意线程获取等等

总结起来，我认为如果只需要锁定简单的方法、简单的代码块，那么考虑使用synchronized，复杂的多线程处理场景下可以考虑使用ReentrantLock。

 

参考链接：

http://www.importnew.com/21136.html

http://lavasoft.blog.51cto.com/62575/99155/

http://www.cnblogs.com/lwbqqyumidi/p/3821389.html

Java多线程（二） —— 线程安全、线程同步、线程间通信（含面试题集）


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