金九银十，查漏补缺：Java线程同步与实现

前言

为何要使用Java线程同步？ Java允许多线程并发控制，当多个线程同时操作一个可共享的资源变量时，将会导致数据不准确，相互之间产生冲突，因此加入同步锁以避免在该线程没有完成操作之前，被其他线程的调用，从而保证了该变量的唯一性和准确性。

但其并发编程的根本，就是使线程间进行正确的通信。其中两个比较重要的关键点，如下：

线程通信：重点关注线程同步的几种方式；

正确通信：重点关注是否有线程安全问题；

Java中提供了很多线程同步操作，比如：synchronized关键字、wait/notifyAll、ReentrantLock、Condition、一些并发包下的工具类、Semaphore，ThreadLocal、AbstractQueuedSynchronizer等。本文主要说明一下这几种同步方式的使用及优劣。

1 ReentrantLock可重入锁

自JDK5开始，新增了Lock接口以及它的一个实现类ReentrantLock。ReentrantLock可重入锁是J.U.C包内置的一个锁对象，可以用来实现同步，基本使用方法如下：

public class ReentrantLockTest {

private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void execute() {
    lock.lock();
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " do something synchronize");
        try {
            Thread.sleep(5000l);
        } catch (InterruptedException e) {
            System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
public static void main(String[] args) {
    ReentrantLockTest reentrantLockTest = new ReentrantLockTest();
    Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            reentrantLockTest.execute();
        }
    });
    Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            reentrantLockTest.execute();
        }
    });
    thread1.start();
    thread2.start();
}

}

复制代码

上面例子表示 同一时间段只能有1个线程执行execute方法，输出如下：

Thread-0 do something synchronize

// 隔了5秒钟 输入下面

Thread-1 do something synchronize

复制代码

可重入锁中可重入表示的意义在于 对于同一个线程，可以继续调用加锁的方法，而不会被挂起。可重入锁内部维护一个计数器，对于同一个线程调用lock方法，计数器+1，调用unlock方法，计数器-1。

举个例子再次说明一下可重入的意思：在一个加锁方法execute中调用另外一个加锁方法anotherLock并不会被挂起，可以直接调用(调用execute方法时计数器+1，然后内部又调用了anotherLock方法，计数器+1，变成了2)：

public void execute() {

lock.lock();
try {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " do something synchronize");
    try {
        anotherLock();
        Thread.sleep(5000l);
    } catch (InterruptedException e) {
        System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
} finally {
    lock.unlock();
}

}

public void anotherLock() {

lock.lock();
try {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " invoke anotherLock");
} finally {
    lock.unlock();
}

}

复制代码

输出：

Thread-0 do something synchronize

Thread-0 invoke anotherLock

// 隔了5秒钟 输入下面

Thread-1 do something synchronize

Thread-1 invoke anotherLock

复制代码

2 synchronized

synchronized跟ReentrantLock一样，也支持可重入锁。但是它是 一个关键字，是一种语法级别的同步方式，称为内置锁：

public class SynchronizedKeyWordTest {

public synchronized void execute() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " do something synchronize");
    try {
        anotherLock();
        Thread.sleep(5000l);
    } catch (InterruptedException e) {
        System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
}
public synchronized void anotherLock() {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " invoke anotherLock");
}
public static void main(String[] args) {
    SynchronizedKeyWordTest reentrantLockTest = new SynchronizedKeyWordTest();
    Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            reentrantLockTest.execute();
        }
    });
    Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            reentrantLockTest.execute();
        }
    });
    thread1.start();
    thread2.start();
}

}

复制代码

输出结果跟ReentrantLock一样，这个例子说明内置锁可以作用在方法上。synchronized关键字也可以修饰静态方法，此时如果调用该静态方法，将会锁住整个类。点击免费“领取Java架构资料”

同步是一种高开销的操作，因此应该尽量减少同步的内容。通常没有必要同步整个方法，使用synchronized代码块同步关键代码即可。

synchronized跟ReentrantLock相比，有几点局限性：

加锁的时候不能设置超时。ReentrantLock有提供tryLock方法，可以设置超时时间，如果超过了这个时间并且没有获取到锁，就会放弃，而synchronized却没有这种功能；

ReentrantLock可以使用多个Condition，而synchronized却只能有1个

不能中断一个试图获得锁的线程；

ReentrantLock可以选择公平锁和非公平锁；

ReentrantLock可以获得正在等待线程的个数，计数器等；

所以，Lock的操作与synchronized相比，灵活性更高，而且Lock提供多种方式获取锁，有Lock、ReadWriteLock接口，以及实现这两个接口的ReentrantLock类、ReentrantReadWriteLock类。

关于Lock对象和synchronized关键字选择的考量：

最好两个都不用，使用一种java.util.concurrent包提供的机制，能够帮助用户处理所有与锁相关的代码。

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。

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。

在性能考量上来说，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。点击免费“领取Java架构资料”

3 Condition条件对象

Condition条件对象的意义在于 对于一个已经获取Lock锁的线程，如果还需要等待其他条件才能继续执行的情况下，才会使用Condition条件对象。

Condition可以替代传统的线程间通信，用await()替换wait()，用signal()替换notify()，用signalAll()替换notifyAll()。

为什么方法名不直接叫wait()/notify()/nofityAll()？因为Object的这几个方法是final的，不可重写！

public class ConditionTest {

public static void main(String[] args) {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    Condition condition = lock.newCondition();
    Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wait for condition");
                try {
                    condition.await();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    });
    Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sleep 5 secs");
                try {
                    Thread.sleep(5000l);
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
                condition.signalAll();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    });
    thread1.start();
    thread2.start();
}

}

复制代码

这个例子中thread1执行到condition.await()时，当前线程会被挂起，直到thread2调用了condition.signalAll()方法之后，thread1才会重新被激活执行。

这里需要注意的是thread1调用Condition的await方法之后，thread1线程释放锁，然后马上加入到Condition的等待队列，由于thread1释放了锁，thread2获得锁并执行，thread2执行signalAll方法之后，Condition中的等待队列thread1被取出并加入到AQS中，接下来thread2执行完毕之后释放锁，由于thread1已经在AQS的等待队列中，所以thread1被唤醒，继续执行。

传统线程的通信方式，Condition都可以实现。Condition的强大之处在于它可以为多个线程间建立不同的Condition。

注意，Condition是被绑定到Lock上的，要创建一个Lock的Condition必须用newCondition()方法。

4 wait&notify/notifyAll方式

Java线程的状态转换图与相关方法，如下：

图片描述(最多50字)

在图中，红框标识的部分方法，可以认为已过时，不再使用。上图中的方法能够参与到线程同步中的方法，如下：

wait、notify、notifyAll方法：线程中通信可以使用的方法。线程中调用了wait方法，则进入阻塞状态，只有等另一个线程调用与wait同一个对象的notify方法。这里有个特殊的地方，调用wait或者notify，前提是需要获取锁，也就是说，需要在同步块中做以上操作。

wait/notifyAll方式跟ReentrantLock/Condition方式的原理是一样的。

Java中每个对象都拥有一个内置锁，在内置锁中调用wait，notify方法相当于调用锁的Condition条件对象的await和signalAll方法。

public class WaitNotifyAllTest {

public synchronized void doWait() {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wait for condition");
    try {
        this.wait();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
    } catch (InterruptedException e) {
        System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
}
public synchronized void doNotify() {
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " sleep 5 secs");
        Thread.sleep(5000l);
        this.notifyAll();
    } catch (InterruptedException e) {
        System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
        Thread.currentThread().interrupt();
    }
}
public static void main(String[] args) {
    WaitNotifyAllTest waitNotifyAllTest = new WaitNotifyAllTest();
    Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            waitNotifyAllTest.doWait();
        }
    });
    Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            waitNotifyAllTest.doNotify();
        }
    });
    thread1.start();
    thread2.start();
}

}

复制代码

这里需要注意的是 调用wait/notifyAll方法的时候一定要获得当前线程的锁，否则会发生IllegalMonitorStateException异常。

join方法：该方法主要作用是在该线程中的run方法结束后，才往下执行。

package com.thread.simple;

public class ThreadJoin {

public static void main(String[] args) {
    Thread thread= new Thread(new Runnable() {
          @Override
          public void run() {
               System.err.println("线程"+Thread.currentThread().getId()+" 打印信息");
          }
    });
    thread.start();
 
    try {
        thread.join();
    } catch (InterruptedException e) {
        // TODO Auto-generated catch block
        e.printStackTrace();
    }
    System.err.println("主线程打印信息");    
}

}

复制代码

yield方法：线程本身的调度方法，使用时线程可以在run方法执行完毕时，调用该方法，告知线程已可以出让CPU资源。

public class Test1 {

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
    new MyThread("低级", 1).start();  
    new MyThread("中级", 5).start();  
    new MyThread("高级", 10).start();  
}

}

class MyThread extends Thread {

public MyThread(String name, int pro) {  
    super(name);// 设置线程的名称  
    this.setPriority(pro);// 设置优先级  
}  
@Override  
public void run() {  
    for (int i = 0; i < 30; i++) {  
        System.out.println(this.getName() + "线程第" + i + "次执行！");  
        if (i % 5 == 0)  
            Thread.yield();  
    }  
}

}

复制代码

sleep方法：通过sleep(millis)使线程进入休眠一段时间，该方法在指定的时间内无法被唤醒，同时也不会释放对象锁；

/**

• 可以明显看到打印的数字在时间上有些许的间隔

*/

public class Test1 {

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
    for(int i=0;i<100;i++){  
        System.out.println("main"+i);  
        Thread.sleep(100);  
    }  
}

}

复制代码

sleep方法告诉操作系统 至少在指定时间内不需为线程调度器为该线程分配执行时间片，并不释放锁（如果当前已经持有锁）。实际上，调用sleep方法时并不要求持有任何锁。

所以，sleep方法并不需要持有任何形式的锁，也就不需要包裹在synchronized中。

5 ThreadLocal

ThreadLocal是一种把变量放到线程本地的方式来实现线程同步的。比如：SimpleDateFormat不是一个线程安全的类，可以使用ThreadLocal实现同步，如下：

public class ThreadLocalTest {

private static ThreadLocal<SimpleDateFormat> dateFormatThreadLocal = new ThreadLocal<SimpleDateFormat>() {
    @Override
    protected SimpleDateFormat initialValue() {
        return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
    }
};
public static void main(String[] args) {
    Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            Date date = new Date();
            System.out.println(dateFormatThreadLocal.get().format(date));
        }
    });
    Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            Date date = new Date();
            System.out.println(dateFormatThreadLocal.get().format(date));
        }
    });
    thread1.start();
    thread2.start();
}

}

复制代码

为何SimpleDateFormat不是线程安全的类？具体请参考：

https://blog.csdn.net/zdp072/...

https://blog.csdn.net/zq60231...

ThreadLocal与同步机制的对比选择：

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。

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。

6 volatile修饰变量

volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制，使用volatile修饰域相当于告诉虚拟机该域可能会被其他线程更新，因此每次使用该域就要重新计算，而不是使用寄存器中的值，volatile不会提供任何原子操作，它也不能用来修饰final类型的变量。

//只给出要修改的代码，其余代码与上同

public 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;
}

｝

复制代码

多线程中的非同步问题主要出现在对域的读写上，如果让域自身避免这个问题，则就不需要修改操作该域的方法。用final域，有锁保护的域和volatile域可以避免非同步的问题。点击免费“领取Java架构资料”

7 Semaphore信号量

Semaphore信号量被用于控制特定资源在同一个时间被访问的个数。类似连接池的概念，保证资源可以被合理的使用。可以使用构造器初始化资源个数：

public class SemaphoreTest {

private static Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
public static void main(String[] args) {
    for(int i = 0; i < 5; i ++) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date());
                    Thread.sleep(5000l);
                    semaphore.release();
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
                }
            }
        }).start();
    }
}

}

复制代码

输出：

Thread-1 Mon Apr 18 18:03:46 CST 2016

Thread-0 Mon Apr 18 18:03:46 CST 2016

Thread-3 Mon Apr 18 18:03:51 CST 2016

Thread-2 Mon Apr 18 18:03:51 CST 2016

Thread-4 Mon Apr 18 18:03:56 CST 2016

复制代码

8 并发包下的工具类

8.1 CountDownLatch

CountDownLatch是一个计数器，它的构造方法中需要设置一个数值，用来设定计数的次数。每次调用countDown()方法之后，这个计数器都会减去1，CountDownLatch会一直阻塞着调用await()方法的线程，直到计数器的值变为0。

public class CountDownLatchTest {

public static void main(String[] args) {
    CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);
    for(int i = 0; i < 5; i ++) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date() + " run");
                try {
                    Thread.sleep(5000l);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                countDownLatch.countDown();
            }
        }).start();
    }
    try {
        countDownLatch.await();
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("all thread over");
}

}

复制代码

输出：

Thread-2 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run

Thread-3 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run

Thread-4 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run

Thread-0 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run

Thread-1 Mon Apr 18 18:18:30 CST 2016 run

all thread over

复制代码

8.2 CyclicBarrier

CyclicBarrier阻塞调用的线程，直到条件满足时，阻塞的线程同时被打开。

调用await()方法的时候，这个线程就会被阻塞，当调用await()的线程数量到达屏障数的时候，主线程就会取消所有被阻塞线程的状态。

在CyclicBarrier的构造方法中，还可以设置一个barrierAction。在所有的屏障都到达之后，会启动一个线程来运行这里面的代码。

public class CyclicBarrierTest {

public static void main(String[] args) {
    Random random = new Random();
    CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5);
    for(int i = 0; i < 5; i ++) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int secs = random.nextInt(5);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date() + " run, sleep " + secs + " secs");
                try {
                    Thread.sleep(secs * 1000);
                    cyclicBarrier.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date() + " runs over");
            }
        }).start();
    }
}

}

复制代码

相比CountDownLatch，CyclicBarrier是可以被循环使用的，而且遇到线程中断等情况时，还可以利用reset()方法，重置计数器，从这些方面来说，CyclicBarrier会比CountDownLatch更加灵活一些。

9 使用原子变量实现线程同步

有时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？点击免费“领取Java架构资料”

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.util.concurrent.atomic包中提供了创建原子类型变量的工具类，使用该类可以简化线程同步。比如：其中AtomicInteger以原子方式更新int的值：

class Bank {

private AtomicInteger account = new AtomicInteger(100);
public AtomicInteger getAccount() {
    return account;
}
public void save(int money) {
    account.addAndGet(money);
}

}

复制代码

10 AbstractQueuedSynchronizer

AQS是很多同步工具类的基础，比如：ReentrantLock里的公平锁和非公平锁，Semaphore里的公平锁和非公平锁，CountDownLatch里的锁等他们的底层都是使用AbstractQueuedSynchronizer完成的。

基于AbstractQueuedSynchronizer自定义实现一个独占锁：

public class MySynchronizer extends AbstractQueuedSynchronizer {

@Override
protected boolean tryAcquire(int arg) {
    if(compareAndSetState(0, 1)) {
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        return true;
    }
    return false;
}
@Override
protected boolean tryRelease(int arg) {
    setState(0);
    setExclusiveOwnerThread(null);
    return true;
}
public void lock() {
    acquire(1);
}
public void unlock() {
    release(1);
}
public static void main(String[] args) {
    MySynchronizer mySynchronizer = new MySynchronizer();
    Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            mySynchronizer.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " will sleep 5 secs");
                try {
                    Thread.sleep(5000l);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " interrupted");
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            } finally {
                mySynchronizer.unlock();
            }
        }
    });
    Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            mySynchronizer.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run");
            } finally {
                mySynchronizer.unlock();
            }
        }
    });
    thread1.start();
    thread2.start();
}

}

复制代码

11 使用阻塞队列实现线程同步

前面几种同步方式都是基于底层实现的线程同步，但是在实际开发当中，应当尽量远离底层结构。本节主要是使用LinkedBlockingQueue来实现线程的同步。

LinkedBlockingQueue是一个基于链表的队列，先进先出的顺序（FIFO），范围任意的blocking queue。

package com.xhj.thread;

import java.util.Random;

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

/**

• 用阻塞队列实现线程同步 LinkedBlockingQueue的使用

*/

public class BlockingSynchronizedThread {

/**
 * 定义一个阻塞队列用来存储生产出来的商品
 */
private LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<Integer>();
/**
 * 定义生产商品个数
 */
private static final int size = 10;
/**
 * 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
 */
private int flag = 0;
private class LinkBlockThread implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        int new_flag = flag++;
        System.out.println("启动线程 " + new_flag);
        if (new_flag == 0) {
            for (int i = 0; i < size; i++) {
                int b = new Random().nextInt(255);
                System.out.println("生产商品：" + b + "号");
                try {
                    queue.put(b);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("仓库中还有商品：" + queue.size() + "个");
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        } else {
            for (int i = 0; i < size / 2; i++) {
                try {
                    int n = queue.take();
                    System.out.println("消费者买去了" + n + "号商品");
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("仓库中还有商品：" + queue.size() + "个");
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (Exception e) {
                    // TODO: handle exception
                }
            }
        }
    }
}
public static void main(String[] args) {
    BlockingSynchronizedThread bst = new BlockingSynchronizedThread();
    LinkBlockThread lbt = bst.new LinkBlockThread();
    Thread thread1 = new Thread(lbt);
    Thread thread2 = new Thread(lbt);
    thread1.start();
    thread2.start();
}

}

来源：