Java 并发编程：多线程并发访问，同步控制

一、并发问题

多线程学习的时候，要面对的第一个复杂问题就是，并发模式下变量的访问，如果不理清楚内在流程和原因，经常会出现这样一个问题：线程处理后的变量值不是自己想要的，可能还会一脸懵的说：这不合逻辑吧？

1、成员变量访问

多个线程访问类的成员变量，可能会带来各种问题。

public class AccessVar01 {
    public static void main(String[] args) {
        Var01Test var01Test = new Var01Test() ;
        VarThread01A varThread01A = new VarThread01A(var01Test) ;
        varThread01A.start();
        VarThread01B varThread01B = new VarThread01B(var01Test) ;
        varThread01B.start();
    }
}
class VarThread01A extends Thread {
    Var01Test var01Test = new Var01Test() ;
    public VarThread01A (Var01Test var01Test){
        this.var01Test = var01Test ;
    }
    @Override
    public void run() {
        var01Test.addNum(50);
    }
}
class VarThread01B extends Thread {
    Var01Test var01Test = new Var01Test() ;
    public VarThread01B (Var01Test var01Test){
        this.var01Test = var01Test ;
    }
    @Override
    public void run() {
        var01Test.addNum(10);
    }
}
class Var01Test {
    private Integer num = 0 ;
    public void addNum (Integer var){
        try {
            if (var == 50){
                num = num + 50 ;
                Thread.sleep(3000);
            } else {
                num = num + var ;
            }
            System.out.println("var="+var+";num="+num);
        } catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

这里案例的流程就是并发下运算一个成员变量，程序的本意是：var=50，得到num=50,可输出的实际结果是：

var=10;num=60
var=50;num=60

VarThread01A线程处理中进入休眠，休眠时num已经被线程VarThread01B进行一次加10的运算，这就是多线程并发访问导致的结果。

2、方法私有变量

修改上述的代码逻辑，把num变量置于方法内，作为私有的方法变量。

class Var01Test {
    // private Integer num = 0 ;
    public void addNum (Integer var){
        Integer num = 0 ;
        try {
            if (var == 50){
                num = num + 50 ;
                Thread.sleep(3000);
            } else {
                num = num + var ;
            }
            System.out.println("var="+var+";num="+num);
        } catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

方法内部的变量是私有的，且和当前执行方法的线程绑定，不会存在线程间干扰问题。

二、同步控制

1、Synchronized关键字

使用方式：修饰方法，或者以控制同步块的形式，保证多个线程并发下，同一时刻只有一个线程进入方法中，或者同步代码块中，从而使线程安全的访问和处理变量。如果修饰的是静态方法，作用的是这个类的所有对象。

独占锁属于悲观锁一类，synchronized就是一种独占锁，假设处于最坏的情况，只有一个线程执行，阻塞其他线程，如果并发高，处理耗时长，会导致多个线程挂起，等待持有锁的线程释放锁。

2、修饰方法

这个案例和第一个案例原理上是一样的，不过这里虽然在修改值的地方加入的同步控制，但是又挖了一个坑，在读取的时候没有限制，这个现象俗称脏读。

public class AccessVar02 {
    public static void main(String[] args) {
        Var02Test var02Test = new Var02Test ();
        VarThread02A varThread02A = new VarThread02A(var02Test) ;
        varThread02A.start();
        VarThread02B varThread02B = new VarThread02B(var02Test) ;
        varThread02B.start();
        var02Test.readValue();
    }
}
class VarThread02A extends Thread {
    Var02Test var02Test = new Var02Test ();
    public VarThread02A (Var02Test var02Test){
        this.var02Test = var02Test ;
    }
    @Override
    public void run() {
        var02Test.change("my","name");
    }
}
class VarThread02B extends Thread {
    Var02Test var02Test = new Var02Test ();
    public VarThread02B (Var02Test var02Test){
        this.var02Test = var02Test ;
    }
    @Override
    public void run() {
        var02Test.change("you","age");
    }
}
class Var02Test {
    public String key = "cicada" ;
    public String value = "smile" ;
    public synchronized void change (String key,String value){
        try {
            this.key = key ;
            Thread.sleep(2000);
            this.value = value ;
            System.out.println("key="+key+";value="+value);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public void readValue (){
        System.out.println("读取：key="+key+";value="+value);
    }
}

在线程中，逻辑上已经修改了，只是没执行到，但是在main线程中读取的value毫无意义,需要在读取方法上也加入同步的线程控制。

3、同步控制逻辑

同步控制实现是基于Object的监视器。

• 线程对Object的访问，首先要先获得Object的监视器 ;

• 如果获取成功，则会独占该对象 ；

• 其他线程会掉进同步队列，线程状态变为阻塞 ；

• 等Object的持有线程释放锁，会唤醒队列中等待的线程，尝试重启获取对象监视器；

4、修饰代码块

说明一点，代码块包含方法中的全部逻辑，锁定的粒度和修饰方法是一样的，就写在方法上吧。同步代码块一个很核心的目的，减小锁定资源的粒度，就如同表锁和行级锁。

public class AccessVar03 {
    public static void main(String[] args) {
        Var03Test var03Test1 = new Var03Test() ;
        Thread thread1 = new Thread(var03Test1) ;
        thread1.start();
        Thread thread2 = new Thread(var03Test1) ;
        thread2.start();
        Thread thread3 = new Thread(var03Test1) ;
        thread3.start();
    }
}
class Var03Test implements Runnable {
    private Integer count = 0 ;
    public void countAdd() {
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        synchronized(this) {
            count++ ;
            System.out.println("count="+count);
        }
    }
    @Override
    public void run() {
        countAdd() ;
    }
}

这里就是锁定count处理这个动作的核心代码逻辑，不允许并发处理。

5、修饰静态方法

静态方法属于类层级的方法，对象是不可以直接调用的。但是synchronized修饰的静态方法锁定的是这个类的所有对象。

public class AccessVar04 {
    public static void main(String[] args) {
        Var04Test var04Test1 = new Var04Test() ;
        Thread thread1 = new Thread(var04Test1) ;
        thread1.start();
        Var04Test var04Test2 = new Var04Test() ;
        Thread thread2 = new Thread(var04Test2) ;
        thread2.start();
    }
}
class Var04Test implements Runnable {
    private static Integer count ;
    public Var04Test (){
        count = 0 ;
    }
    public synchronized static void countAdd() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"；count="+(count++));
    }
    @Override
    public void run() {
        countAdd() ;
    }
}

如果不是使用同步控制，从逻辑和感觉上，输出的结果应该如下：

Thread-0；count=0
Thread-1；count=0

加入同步控制之后，实际测试输出结果：

Thread-0；count=0
Thread-1；count=1

6、注意事项

• 继承中子类覆盖父类方法，synchronized关键字特性不能继承传递，必须显式声明；

• 构造方法上不能使用synchronized关键字，构造方法中支持同步代码块；

• 接口中方法，抽象方法也不支持synchronized关键字 ；

三、Volatile关键字

1、基本描述

Java内存模型中，为了提升性能，线程会在自己的工作内存中拷贝要访问的变量的副本。这样就会出现同一个变量在某个时刻，在一个线程的环境中的值可能与另外一个线程环境中的值，出现不一致的情况。

使用volatile修饰成员变量，不能修饰方法，即标识该线程在访问这个变量时需要从共享内存中获取，对该变量的修改，也需要同步刷新到共享内存中，保证了变量对所有线程的可见性。

2、使用案例

class Var05Test {
    private volatile boolean myFlag = true ;
    public void setFlag (boolean myFlag){
        this.myFlag = myFlag ;
    }
    public void method() {
        while (myFlag){
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+myFlag);
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

3、注意事项

• 可见性只能确保每次读取的是最新的值，但不支持变量操作的原子性;

• volatile并不会阻塞线程方法，但是同步控制会阻塞；

• Java同步控制的根本：保证并发下资源的原子性和可见性；

四、源代码地址

GitHub·地址
https://github.com/cicadasmile/java-base-parent
GitEE·地址
https://gitee.com/cicadasmile/java-base-parent