多线程与并发（二）——线程同步、线程协作

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1、线程同步

并发：同一个对象被多个线程同时操作。
线程同步：处理并发问题。形成条件是队列+锁。
线程同步其实就是一种等待机制，多个需要同时访问此对象的线程进入这个对象的等待池形成队列，等待前面线程使用完毕，下一个线程再使用。
为了保证数据在方法中被访问时的正确性，在访问时加入锁机制synchronized。当一个线程获得对象的排它锁，独占资源，其他线程必须等待，使用后释放锁即可。可能存在问题：
- 一个线程持有锁会导致其他所有需要此锁的线程挂起。
- 在多线程竞争下，加锁，释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时，引起性能问题。
- 如果一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁，会导致优先级倒置，引起性能问题。

不安全案例：

之前的抢票的例子。

取款的例子：

public class TestSync {
    public static void main(String[] args) {
        Account account = new Account("基金", 100);
        new Bank(account,50, "A").start();
        new Bank(account,100, "B").start();
    }
}

class Account {
    public String name;
    public int money;

    public Account(String name, int money) {
        this.name = name;
        this.money = money;
    }
}

class Bank extends Thread {
    public Account account;
    public int drawingMoney;
    public int nowMoney;

    public Bank(Account account, int drawingMoney, String name) {
        super(name);
        this.drawingMoney = drawingMoney;
        this.account = account;
    }

    @Override
    public void run() {
        if(account.money-drawingMoney<0){
            System.out.println("余额不足");
            return;
        }
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        account.money -= drawingMoney;
        nowMoney = drawingMoney;
        System.out.println(account.name+"余额为"+account.money);
        System.out.println(this.getName()+"取出"+nowMoney);
    }
}

同步方法：
- 通过private关键字保证了数据对象只能被方法访问，所以只需要对方法使用synchronized关键字。包括synchronized方法和synchronized块。
- 同步方法格式：public synchronized void method(int args){}。
- synchronized方法控制对对象的访问，每个对象对应一把锁，每个synchronized都必须活动调用该方法的对象的锁才能执行，否则线程会阻塞。
- 方法一旦执行，就独占该锁，直到该方法返回才释放锁。后边被阻塞的线程才能获得这个锁，继续执行。
- 若将一个大的方法声明为synchronized将会影响效率。
- 方法里面需要修改的内容才需要锁，只读的内容不需要锁。
- 锁中可以是对象也可以class字节码：
  - 对于普通同步方法，锁是当前实例对象。如果有多个实例那么锁对象必然不同无法实现同步。
  - 对于静态同步方法，锁是当前类的class对象。有多个实例但是锁对象是相同的可以完成同步。
  - 对于同步方法块，锁是Synchonized括号里配置的对象。对象最好是只有一个的如当前类的 class 。
同步块：
- 同步块格式：synchronized(obj){}。
- obj称之为同步监视器，可以是任何对象，但是推荐使用共享资源（所要进行增删改的对象）作为同步监视器。
- 同步方法的同步监视器就是对象本身即this。
- 同步监视器的执行过程：
  - 第一个线程访问，锁定同步监视器，执行其中的代码。
  - 第二个线程访问，发现同步监视器被锁定，无法访问。
  - 第一个线程访问翻倍，解锁同步监视器。
  - 第二个线程访问，泛型同步监视器没有锁，然后锁定并访问。

不安全案例的同步改造：

抢票的例子：

@Override
public synchronized void run() {
    while (true) {
        if(ticketNum<=0) {
            break;
        }
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"拿到了第"+ticketNum--+"张票");
    }
}

取款的例子：

@Override
public void run() {
    //锁的是要进行修改的对象account
    synchronized (account){
        if(account.money-drawingMoney<0){
            System.out.println("余额不足");
            return;
        }
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        account.money -= drawingMoney;
        nowMoney = drawingMoney;
        System.out.println(account.name+"余额为"+account.money);
        System.out.println(this.getName()+"取出"+nowMoney);
    }
}

Java中的JUC并发包java.util.concurrent：
- JUC安全类型的集合：CopyOnWriteArrayList。一个线程安全的列表。

死锁：

多个线程各自占用一些共享资源，并且相互等待其他线程占有的资源才能运行，而导致两个或多个线程都在等待对象释放资源，都停止执行的情形。
某一个代码块同时拥有两个以上对象的锁时，就可能会发生死锁的问题。
产生死锁的四个必要条件：
- 互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。
- 请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
- 不剥夺条件：进程已获得的资源，在未使用完之前，不能强行剥夺。
- 循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

产生死锁的例子：

public class DeadLock {
    public static void main(String[] args) {
        new dis(0).start();
        new dis(1).start();
    }
}

class Car{
}

class Key{
}

class dis extends Thread{
    //资源只有一份，静态资源
    private static Car car = new Car();
    private static Key key = new Key();
    private int choice;

    public dis(int choice) {
        this.choice = choice;
    }

    @Override
    public void run() {
        makeup();
    }

    public void makeup(){
        if(choice==0) {
            synchronized (car){
                System.out.println(choice+" 锁住了car");
                synchronized (key) {
                    System.out.println(choice+" 锁住了key");
                }
            }
        } else {
            synchronized (key){
                System.out.println(choice+" 锁住了key");
                synchronized (car) {
                    System.out.println(choice+" 锁住了car");
                }
            }
        }
    }

}

Lock锁：

从JDK5开始提供的更强大的线程同步机制，通过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用Lock对象充当。
java.util.concurrent.locks.Lock接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。
锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一个线程对Lock对象加锁，线程开始访问共享资源之前应先获得Lock对象。
可重入锁ReentrantLock类实现了Lock，拥有与synchronized相同的并发性和内存语义，可以显式加锁、释放锁。
Lock是显式锁，手动开启和关闭锁。synchronized是隐式锁，出了作用域自动释放。
使用Lock锁，JVM将花费较少的时间调度线程，性能更好。并且有更好的扩展性。
一般与try/finally一起使用。

使用Lock锁的例子：

public class TestLock {
    public static void main(String[] args) {
        Lock lock = new Lock();
        new Thread(lock,"A ").start();
        new Thread(lock,"B ").start();
    }
}

class Lock implements Runnable {

    private int ticketNum = 200;
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            lock.lock();
            try{
                if (ticketNum > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(20);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ticketNum--);
                } else {
                    break;
                }
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

2、线程协作

生产者消费者问题：
- 假设仓库中只能存放一件产品，生产者将生产出来的产品放入仓库，消费者将仓库中产品取走消费。
- 如果仓库中没有产品，则生产者将产品放入仓库，否则停止生产并等待，直到产品被消费者取走。
- 如果仓库中放有产品，则消费者可以讲产品取走消费，否则停止消费并等待，直到仓库中再次放入产品。
- 生产者和消费者共享同一个资源，并且生产者和消费者之间相互依赖、互为条件。
- 需要实现不同线程之间的通信问题。
- Java提供了几个方法解决线程之间的通信问题：

管程法：

生产者将生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据。

public class TestPC {
    public static void main(String[] args) {
        //创建缓冲区
        Container container = new Container();
        new Producer(container).start();
        new Consumer(container).start();
    }
}

class Chicken {
    public int id;

    public Chicken(int id) {
        this.id = id;
    }
}

class Producer extends Thread {
    private Container container;

    public Producer(Container container) {
        this.container = container;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            container.push(new Chicken(i), i);
        }
    }
}

class Consumer extends Thread {
    private Container container;

    public Consumer(Container container) {
        this.container = container;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            container.pop();
        }
    }
}

class Container {
    //大小为10的缓冲区
    private Chicken[] chickens = new Chicken[10];
    public int count = 0;     //缓冲区中放入的产品个数
    //生产方法
    public synchronized void push(Chicken chicken, int i) {
        //使用while适用于多个生产者和消费者
        while (chickens.length == count) {
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        chickens[count] = chicken;
        count++;
        //在生产者或消费者的run方法中获取count会有线程不安全问题
        System.out.println("生产 " + i + " " + count);

        this.notifyAll();
    }

    public synchronized void pop() {
        while (count == 0) {
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        count--;
        Chicken chicken = chickens[count];
        System.out.println("消费 " + chicken.id + " " + count);

        this.notifyAll();

    }
}

信号灯法：

使用一个标志位，为true则等待，为false则唤醒另外一个线程。

public class TestPC2 {
    public static void main(String[] args) {
        TV tv = new TV();
        new Producer2(tv).start();
        new Consumer2(tv).start();
    }
}

class Producer2 extends Thread {
    TV tv;

    public Producer2(TV tv) {
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            if(i%2==0) {
                tv.play("节目1");
            } else {
                tv.play("节目2");
            }
        }
    }
}

class Consumer2 extends Thread {
    TV tv;

    public Consumer2(TV tv) {
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            tv.watch();
        }
    }
}

class TV {
    String program;
    boolean flag = true;    //T生产，F消费

    public synchronized void play(String program){
        if(!flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        System.out.println("生产了"+program);
        this.notifyAll();
        this.program = program;
        this.flag = !this.flag;
    }

    public synchronized void watch(){
        if(flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        System.out.println("消费了"+this.program);
        this.notifyAll();
        this.flag = !this.flag;
    }
}

线程池：
- 经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大。
- 可以提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池中。
- 好处：
  - 提高了响应速度，减少了创建新线程的时间。
  - 降低了资源消耗。
  - 便于线程管理，包括核心池大小、最大线程数、没有任务时多长时间终止等。
- 线程池相关API：
  - ExecutorService：真正的线程池接口，常见子类ThreadPoolExecutor。
    - void execute(Runnable command)：执行任务。
    - void shutdown()：关闭线程池。
  - Executors：工具类、线程池的工厂类，用于创建并返回不同类型的线程池。
```
public class TestPool {
    public static void main(String[] args) {
        //参数为线程池大小
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);

        executorService.execute(new MyThread());
        executorService.execute(new MyThread());
        executorService.execute(new MyThread());

        executorService.shutdown();
    }
}

class MyThread implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}
```

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来源与结束于否定之否定。