线程同步

处理多线程问题时，多个线程访问同一对象，并且某些线程还想修改这个对象。这时候就需要线程同步。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。

• 形成条件：队列+锁
• 由于同一线程的多个线程共享同一块存储空间，在带来方便的同时，也带来了访问冲突问题，为了保证数据在方法中被访问的正确性，在访问时加入锁机制synchronized，当一个线程获得对象的排他锁，独占资源，其他线程必须等待，使用后释放锁即可。

存在以下问题：

• 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。

三大不安全案例

一、不安全的买票过程

不安全的情况下的例子：

//不安全的买票
public class UnsafeBuyTicket {public static void main(String[] args) {BuyTicket station = new BuyTicket();new Thread(station,"小明").start();new Thread(station,"老师").start();new Thread(station,"黄牛党").start();}
}class BuyTicket implements Runnable{//票private int ticketNums=10;boolean flag = true; // 外部停止方式@Overridepublic void run() {//买票while (flag){try {buy();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}private void buy() throws InterruptedException {// 判断是否有票if(ticketNums<=0){flag = false;return;}//模拟延时Thread.sleep(100);// 买票System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"拿到"+ticketNums--);}
}

结果是余票数量到达负数或者同一张票被多个人同时买了。

二、不安全的取钱过程

不安全的情况下的例子：

// 不安全的取钱过程
// 两个人去银行取钱，操作同一账户
public class UnsafeBank {public static void main(String[] args) {// 账户Account account = new Account(100,"结婚基金");Drawing you = new Drawing(account,50,"你");Drawing wife = new Drawing(account,100,"老婆");you.start();wife.start();}
}// 账户
class Account{int money;// 余额String name;//账户名public Account(int money, String name) {this.money = money;this.name = name;}
}// 银行：模拟取款
class Drawing extends Thread{Account account;// 账户int drawingMoney;// 取了多少钱int nowMoney;// 现在手里有多少钱public Drawing(Account account, int drawingMoney, String name) {super(name);// 线程的名字（看哪个线程取了钱）this.account = account;this.drawingMoney = drawingMoney;}// 取钱@Overridepublic void run() {//判断有没有钱if (account.money-drawingMoney<0){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"操作时账户钱不够，取不了");return;}// 模拟延时 sleep可以放大问题的发生try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}// 卡内的钱=余额-取走的钱account.money = account.money - drawingMoney;//手里的钱nowMoney = nowMoney + drawingMoney;System.out.println(account.name+"余额为："+account.money);//this.getName()即为Thread.currentThread().getName()System.out.println(this.getName()+"手里的钱："+nowMoney);}
}

账户原有100w，你先取走50w，账户剩下50w；老婆此时却看到账户剩100w，取走100w，结果实际账户剩-50w。

三、线程不安全的集合

//线程不安全的集合
public class UnsafeList {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {List<String> list = new ArrayList<>();for (int i = 0; i < 50000; i++) {new Thread(()->{list.add(Thread.currentThread().getName());// 将五万个线程分别添加进数组集合}).start();}Thread.sleep(6000);//等待6秒 让其充分准备好，同时放大问题性System.out.println(list.size());}
}

可能会导致同一瞬间操作同一位置，把两个或多个线程添加进同一位置，那个出错位置的后来添加进来的线程会覆盖掉先进来的，所以得到的list.size()少于50000

实际输出结果：49999 如上所说，发生了错误

synchronized

由于我们可以通过private关键字来保证数据对象只能被方法访问，所以我们只需要针对方法提出一套机制，这套机制就是synchronized关键字，它包括两种用法：synchronized方法和synchronized块。

• 同步方法：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方法都必须获得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，直到方法返回才释放锁，后面被阻塞的线程才能获得这个锁，继续执行。

• 缺陷：若将一个大的方法声明为synchronized将会影响效率
• 注意：方法里面有内容需要修改才需要锁。 锁得太多会浪费资源，降低效率。比如代码A对对象的操作是只读，代码B对对象的操作是修改，所以代码B才需要同步，代码A不需要。
• synchronized锁的是this

解决三大不安全案例

一、解决不安全的买票过程

public class UnsafeBuyTicket {public static void main(String[] args) {BuyTicket station = new BuyTicket();new Thread(station,"小明").start();new Thread(station,"老师").start();new Thread(station,"黄牛党").start();}
}class BuyTicket implements Runnable{//票private int ticketNums=10;boolean flag = true; // 外部停止方式@Overridepublic void run() {//买票while (flag){try {//模拟延时Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}buy();}}// synchronized 使其变成同步方法。用这个方法的对象都会拿到一把锁private synchronized void buy()  {// 判断是否有票if(ticketNums<=0){flag = false;return;}// 买票System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"拿到"+ticketNums--);}
}

输出结果：每个线程有序执行

老师拿到10
黄牛党拿到9
小明拿到8
小明拿到7
老师拿到6
黄牛党拿到5
黄牛党拿到4
老师拿到3
小明拿到2
黄牛党拿到1

二、解决不安全的取钱过程

同步块： synchronized(Obj ){ }

• Obj称为同步监视器
• Obj可以是任何对象，但是推荐使用共享资源作为同步监视器
• 同步方法中无需指定同步监视器，因为同步方法的同步监视器就是this这个对象本身，或者是class（在反射中再讲解）
• 同步监视器的执行过程：
  1.第一个线程访问，锁定同步监视器，执行其中代码
  2.第二个线程访问，发现同步监视器被锁定，无法访问
  3.第一个线程访问完毕，解锁同步监视器
  4.第二个线程访问，发现同步监视器没有锁，然后锁定并访问

// 两个人去银行取钱，操作同一账户
public class UnsafeBank {public static void main(String[] args) {// 账户Account account = new Account(100,"结婚基金");Drawing you = new Drawing(account,50,"你");Drawing wife = new Drawing(account,100,"老婆");you.start();wife.start();}
}// 账户
class Account{int money;// 余额String name;//账户名public Account(int money, String name) {this.money = money;this.name = name;}
}// 银行：模拟取款
class Drawing extends Thread{Account account;// 账户int drawingMoney;// 取了多少钱int nowMoney;// 现在手里有多少钱public Drawing(Account account, int drawingMoney, String name) {super(name);// 线程的名字（看哪个线程取了钱）this.account = account;this.drawingMoney = drawingMoney;}// 取钱@Overridepublic void run() {synchronized(account){//判断有没有钱if (account.money-drawingMoney<0){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"操作时账户钱不够，取不了");return;}// 模拟延时 sleep可以放大问题的发生try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}// 卡内的钱=余额-取走的钱account.money = account.money - drawingMoney;//手里的钱nowMoney = nowMoney + drawingMoney;System.out.println(account.name+"余额为："+account.money);//this.getName()即为Thread.currentThread().getName()System.out.println(this.getName()+"手里的钱："+nowMoney);}}
}

输出：

结婚基金余额为：50
你手里的钱：50
老婆操作时账户钱不够，取不了

发现已成功解决。

• 为什么不能将重写的run方法用synchronized修饰？
  【答】因为synchronized锁的是this，也就是说锁了重写的run方法。重写的run方法是模拟银行取出钱的过程，说白了就是把银行锁了，银行并没有发生修改行为，真正发生修改行为的是账户这个对象。又或者说这里不应该锁整个方法，因为不能说整个方法都在修改，而应该锁那个对象。所以要用synchronized块针对account对象进行加锁同步。也就是说要加锁的是变化的量（增删改）。

public synchronized void Method(){//...
}
相当于
public void Method(){synchronized(this){// ...}
}

三、解决集合线程不安全

通过添加synchronized块解决集合线程不安全

public class UnsafeList {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {List<String> list = new ArrayList<>();for (int i = 0; i < 50000; i++) {new Thread(()->{synchronized(list) { //锁住list对象，让线程一个个排队添加进去list.add(Thread.currentThread().getName());// 将五万个线程分别添加进数组集合}}).start();}Thread.sleep(6000);//等待6秒 让其充分准备好，同时放大问题性System.out.println(list.size());}
}

或者直接使用线程安全的集合[在java.util.concurrent(JUC)下的CopyOnWriteArrayList]：

//测试JUC安全类型的集合
public class TestJUC {public static void main(String[] args) {CopyOnWriteArrayList list = new CopyOnWriteArrayList<>();for (int i = 0; i < 50000; i++) {new Thread(()->{list.add(Thread.currentThread().getName());// 将五万个线程分别添加进数组集合}).start();}try {Thread.sleep(5000);//等待5秒 让其充分准备好，同时放大问题性} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(list.size());}
}

同样解决问题，因为这是别人已经写好的，不用再添加synchronized块。

死锁

多个线程各自占有一些共享资源，并且互相等待其它线程占有的资源才能运行，而导致两个或者多个线程都在等待对方释放资源，都停止的情形。某一同步块同时拥有“两个以上对象的锁”时，就可能会发生“死锁”的问题。

死锁例子：

// 死锁：多个线程互相抱着对方需要的资源，然后形成僵持
public class DeadLock {public static void main(String[] args) {Makeup g1 = new Makeup(0,"白雪公主");Makeup g2 = new Makeup(1,"灰姑娘");g1.start();g2.start();}
}// 口红
class  Lipstick{ }// 镜子
class Mirror{ }class Makeup extends Thread{// 需要的资源只有一份，用static来保证只有一份static Lipstick lipstick = new Lipstick();static Mirror mirror = new Mirror();int chioce;String girlName;Makeup(int chioce,String girlName){this.chioce = chioce;this.girlName = girlName;}@Overridepublic void run() {// 化妆try {makeup();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}private  void  makeup() throws InterruptedException {if (chioce == 0) {synchronized (lipstick) {System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");Thread.sleep(1000);synchronized (mirror) {System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");}}} else {synchronized (mirror) {System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");Thread.sleep(1000);synchronized (lipstick) {System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");}}}}
}

结果：（两者发生僵持）

白雪公主获得口红的锁
灰姑娘获得镜子的锁

改进：synchronized块不嵌套，不包住对方即将要用的资源的锁即可：

if (chioce == 0) {synchronized (lipstick) {System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");Thread.sleep(1000);}synchronized (mirror) {System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");}} else {synchronized (mirror) {System.out.println(this.girlName + "获得镜子的锁");Thread.sleep(1000);}synchronized (lipstick) {System.out.println(this.girlName + "获得口红的锁");}}

输出：

白雪公主获得口红的锁
灰姑娘获得镜子的锁
白雪公主获得镜子的锁
灰姑娘获得口红的锁

【总结】产生死锁的四个必要条件：

1. 互斥条件：一个资源只能被一个进程使用
2. 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
3. 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
4. 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。

上面四个产生死锁的必要条件中只要想办法打破其中任意一个或多个条件就可以避免死锁发生。

可重入锁（ReentrantLock）

从JDK5.0开始，Java提供了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。

ReentrantLock类实现了Lock，它拥有与synchronized相同的并发性和内存语义，在实现线程安全控制中，比较常用的是ReentrantLock，可以显式加锁、释放锁。

class A {private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public void m() {lock.lock();try {// 保证线程安全的代码;} finally {lock.unlock();// 如果同步代码有异常，要将unlock()写入finally语句块}}
}

synchronized与Lock的对比：

• Lock是显式锁（手动开启和关闭锁，别忘记关闭锁），synchronized是隐式锁，出了作用域自动释放
• Lock只有代码块锁，synchronized有代码块锁和方法锁
• 使用Lock锁，JVM将花费较少的时间来调度线程，性能更好。并且具有更好的扩展性（提供更多的子类）
• 优先使用顺序：
  Lock > 同步代码块（已经进入了方法体，分配了相应资源） > 同步方法（在方法体之外）

线程协作（线程通信）

生产者消费者问题：

（如何实现线程之间的通信，如何在某线程在工作的时候让另一线程等待）

1. 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，消费者将仓库中的产品取走消费；
2. 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，直到仓库中的产品被消费者取走为止；
3. 如果仓库中放有产品，则消费者可以将产品取走消费，否则停止消费并等待，直到仓库中再次放入产品为止。

问题分析：
这是一个线程同步问题，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。

• 对于生产者，生产出产品之前，要通知消费者等待，而生产了产品之后，又需要马上通知消费者消费；
• 对于消费者，在消费之后，要通知生产者已经结束消费，需要生产新的产品以供消费；
• 在生产者消费者问题中，仅有synchronized是不够的，
  synchronized可阻止并发更新同一个共享资源，实现了同步，
  synchronized不能用来实现不同线程之间的消息传递（通信）

Java提供了几个方法解决线程之间的通信问题：

方法名	作用
wait()	表示线程一直等待，直到其他线程通知，与sleep不同（sleep抱着锁睡觉），wait会释放锁
wait(long timeout)	指定等待的毫秒数
notify()	唤醒一个处于等待状态的线程
notifyAll()	唤醒同一个对象上所有调用wait()方法的线程，优先级别高的线程优先调度

以上均是Object类的方法，都只能在同步方法或者同步代码块中使用，否则会抛出IllegalMonitorStateException

【重点理解】解决方法1：管程法

并发协作模型“生产者/消费者模型”之管程法：

• 生产者：负责生产数据的模块（可能是方法，对象，线程，进程）；
• 消费者：负责处理数据的模块（可能是方法，对象，线程，进程）；
• 缓冲区：消费者不能直接使用生产者的数据，他们之间有个“缓冲区”
• 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

// 测试生产者消费者模型 利用缓冲区解决 管程法
// 需要的对象：生产者 消费者 产品 缓冲区
public class PnC {public static void main(String[] args) {SynContainer container = new SynContainer();new Producer(container).start();new Consumer(container).start();}}// 生产者
class Producer extends Thread{SynContainer container;public Producer(SynContainer container) {this.container = container;}// 生产@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 100; i++) {container.push(new Chicken(i));System.out.println("生产了"+i+"只鸡");}}
}// 消费者
class Consumer extends Thread {SynContainer container;public Consumer(SynContainer container) {this.container = container;}// 消费@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 100; i++) {System.out.println("消费了-->" + container.pop().id + "只鸡");}}
}// 产品（鸡）
class Chicken{int id;public Chicken(int id) {this.id = id;}
}// 缓冲区
class SynContainer{// 需要一个容器大小Chicken[] chickensPool = new Chicken[10];// 容器计数器int count = 0;// 生产者放入产品public synchronized void push(Chicken chicken){// 如果容器满了，就需要等待消费者消费if (count== chickensPool.length){// 通知消费者消费，生产进入等待try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}// 如果没有满，我们就需要丢入产品chickensPool[count]=chicken;count++;// 可以通知消费者消费了this.notifyAll();}// 消费者消费产品public synchronized Chicken pop(){// 判断能否消费if (count==0){// 等待生产者生产，消费者等待try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}// 如果可以消费count--;Chicken chicken = chickensPool[count];// 吃完了，通知生产者生产this.notifyAll();return chicken;}}

解决方法1：信号灯法

并发协作模型“生产者/消费者模型”之信号灯法：

// 生产者消费者问题2 信号灯法（通过标志位解决）
public class PnC2 {public static void main(String[] args) {TV tv = new TV();new Actor(tv).start();new Audience(tv).start();}
}// 生产者——>演员
class Actor extends Thread{TV tv;public Actor(TV tv){this.tv = tv;}@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 20; i++) {if (i%2 == 0){try {this.tv.play("唱歌");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}else{try {this.tv.play("跳舞");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}
}// 消费者——>观众
class Audience extends Thread{TV tv;public Audience(TV tv){this.tv = tv;}@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 20; i++) {try {tv.watch();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}// 产品——>录播的节目
class TV{// 演员表演，观众等待 T// 观众观看，演员等待 FString programme;//表演节目boolean flag = true;//表演public synchronized void play(String programme) throws InterruptedException {if (!flag)this.wait();System.out.println("演员表演了——>:"+programme);//通知观众观看this.notifyAll();this.programme = programme;this.flag = !this.flag;}//观看public synchronized void watch() throws InterruptedException {if (flag) this.wait();System.out.println("观众观看了："+programme);//通知演员表演this.notifyAll();this.flag = !this.flag;}
}

线程池

背景：
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

思路：
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。可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。类似生活中公共交通工具。

好处：
1.提高响应速度(减少了创建线程的时间)
2.降低资源的消耗(重复利用线程池中线程，不需要每次都创建)
3.便于线程管理

• JDK 5.0起提供了线程池相关API：ExecutorService 和 Executors

• ExecutorService：真正的线程池接口。常见子类ThreadPoolExecutor

• 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

常用参数：

• corePoolSize：核心池的大小
• maximumPoolSize：最大线程数
• keepAliveTime：线程没有任务时最多保持多长时间后会终止

常用方法：

• void execute(Runnable command)：执行任务/命令，没有返回值，一 般用来执行Runnable
• <T>Future<T> submit(Callable task)：执行任务，有返回值，一般用来执行Callable
• void shutdown()：关闭连接池

public class PoolDemo {public static void main(String[] args) {//1.创建服务，创建线程池//newFixedThreadPool(10); 参数为线程池的大小ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(4);//执行service.execute(new MyThread());service.execute(new MyThread());service.execute(new MyThread());service.execute(new MyThread());//2.关闭连接service.shutdown();}
}class MyThread implements Runnable {@Overridepublic void run() {System.out.println(Thread.currentThread().getName());}}

回顾总结线程的创建

//回顾总结线程的创建
public class Summary {public static void main(String[] args) {new MyThread1().start();new Thread(new MyThread2()).start();//FutureTask实现了一个RunnableFuture接口，RunnableFuture接口继承了Runnable，实现了run方法FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(new MyThread3());new Thread(futureTask).start();try {Integer integer = futureTask.get();System.out.println(integer);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} catch (ExecutionException e) {e.printStackTrace();}}
}//1.继承Thread类
class MyThread1 extends Thread {@Overridepublic void run() {System.out.println("MyThread1");}
}//2.实现Runnable接口
class MyThread2 implements Runnable {@Overridepublic void run() {System.out.println("MyThread2");}
}//3.实现Callable接口
class MyThread3 implements Callable<Integer> {@Overridepublic Integer call() throws Exception {System.out.println("MyThread3");return 100;}
}