并发之共享模型管程

1 共享问题

两个线程对同一个数进行了加和减的操作,因为上下文切换,导致值没能更新,从而影响统计的结果.

static int counter = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
 Thread t1 = new Thread(() -> {
    
 for (int i = 0; i < 5000; i++) {
    
 counter++;
 }
 }, "t1");
 Thread t2 = new Thread(() -> {
    
 for (int i = 0; i < 5000; i++) {
    
 counter--;
 }
 }, "t2");
 t1.start();
 t2.start();
 t1.join();
 t2.join();
 log.debug("{}",counter);
/* 运行结果: -2470 */

问题说明

以上的结果可能是正数、负数、零.因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作,从字节码来分析

对于i++操作,对应JVM字节码

getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
iadd // 自增
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

对于i–操作

getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
isub // 自减
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和工作内存中进行数据交换：

在单线程中执行,没有问题;在多线程中,可能出现正数,负数.

临界区

• 一个程序运行多个线程本身是没有问题的
• 问题出在多个线程访问共享资源
  • 问题出在多个线程访问共享资源
  • 在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题
• 一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区

以下为例:

static int counter = 0;
static void increment() 
// 临界区
{
     
 counter++;
}
static void decrement() 
// 临界区
{
     
 counter--;
}

竞态条件

多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，即发生了竞态条件

2 synchronized

为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的

• 阻塞式的解决方案：synchronized，Lock
• 非阻塞式的解决方案：原子变量

synchronized，即俗称的【对象锁】，它采用互斥的方式让同一 时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。这样就能保证拥有锁 的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换.

java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，区别如下:
	互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码
     同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点

语法

synchronized(对象) // 线程1， 线程2(blocked)
{
    
 临界区
}
// 当线程1 进入临界区 此时发生上下文切换, 线程2 因为没有对象锁 阻塞在外面

案例

static int counter = 0;
static final Object room = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
 Thread t1 = new Thread(() -> {
    
 for (int i = 0; i < 5000; i++) {
    
 synchronized (room) {
    
 counter++;
 }
 }
 }, "t1");
 Thread t2 = new Thread(() -> {
    
 for (int i = 0; i < 5000; i++) {
    
 synchronized (room) {
    
 counter--;
 }
 }
 }, "t2");
 t1.start();
 t2.start();
 t1.join();
 t2.join();
 log.debug("counter = {}",counter);
}
/* 运行结果: counter = 0 */

说明:

• synchronized(对象) 中的对象，可以想象为一个房间（room），有唯一入口（门）房间只能一次进入一人 进行计算，线程 t1，t2 想象成两个人

• 当线程 t1 执行到 synchronized(room) 时就好比 t1 进入了这个房间，并锁住了门拿走了钥匙，在门内执行 count++ 代码

• 这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(room) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待，发生了上下文切 换，阻塞住了

• 这中间即使 t1 的 cpu 时间片不幸用完，被踢出了门外（不要错误理解为锁住了对象就能一直执行下去哦）， 这时门还是锁住的，t1 仍拿着钥匙，t2 线程还在阻塞状态进不来，只有下次轮到 t1 自己再次获得时间片时才 能开门进入

• 当 t1 执行完 synchronized{} 块内的代码，这时候才会从 obj 房间出来并解开门上的锁，唤醒 t2 线程把钥 匙给他。t2 线程这时才可以进入 obj 房间，锁住了门拿上钥匙，执行它的 count-- 代码

小结

synchronized 实际是用对象锁保证了临界区内代码的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切 换所打断.

• 如果把 synchronized(obj) 放在 for 循环的外面，如何理解?

  • 那么整个for循环就是一个整体, 在循环结束前,其他线程不可运行,保证原子性.

• 如果 t1 synchronized(obj1) 而 t2 synchronized(obj2) 会怎样运作?

  • sync是锁对象. 如上,使用两个不同对象,那么线程之间单独控制,不会因为锁互相影响阻塞.

• 如果 t1 synchronized(obj) 而 t2 没有加会怎么样?

  • 那么线程t1可保证准确性,线程t2无法保证,最后结果也无法保证,sync锁是针对对象,需要关联所有线程都使用同一个对象.

案例改造之面向对象

// 用锁来控制 加 减 查询
class Room {
    
 int value = 0;
 public void increment() {
    
 synchronized (this) {
    
 value++;
 }
 }
 public void decrement() {
    
 synchronized (this) {
    
 value--;
 }
 }
 public int get() {
    
 synchronized (this) {
    
 return value;
 }
 }
}

测试类

@Slf4j
public class Test1 {
    
 
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
 Room room = new Room();
 Thread t1 = new Thread(() -> {
    
 for (int j = 0; j < 5000; j++) {
    
 room.increment();
 }
 }, "t1");
 Thread t2 = new Thread(() -> {
    
 for (int j = 0; j < 5000; j++) {
    
 room.decrement();
 }
 }, "t2");
 t1.start();
 t2.start();
 t1.join();
 t2.join();
 log.debug("count: {}" , room.get());
 }
}
/* 运行结果: count: 0 */

synchronized用在方法上

类对象

class Test{
    
 public synchronized void test() {
    
 
 }
}
// 等价于
class Test{
    
 public void test() {
    
 synchronized(this) {
    
 
 }
 }
}

类本身

class Test{
    
 public synchronized static void test() {
    
 }
}
// 等价于
class Test{
    
 public static void test() {
    
 synchronized(Test.class) {
    
 
 }
 }
}

线程八锁

• 结果12 或 21

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    
 public synchronized void a() {
    
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
    
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
    
 Number n1 = new Number();
 new Thread(()->{
     n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{
     n1.b(); }).start();
}

• 1s后12，或 2 1s后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    
 public synchronized void a() {
    
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
    
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
    
 Number n1 = new Number();
 new Thread(()->{
     n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{
     n1.b(); }).start();
}

• 3 1s 12 或 23 1s 1 或 32 1s 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    
 public synchronized void a() {
    
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
    
 log.debug("2");
 }
 public void c() {
    
 log.debug("3");
 }
}
public static void main(String[] args) {
    
 Number n1 = new Number();
 new Thread(()->{
     n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{
     n1.b(); }).start();
 new Thread(()->{
     n1.c(); }).start();
}

• 2 1s 后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    
 public synchronized void a() {
    
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
    
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
    
 Number n1 = new Number();
 Number n2 = new Number();
 new Thread(()->{
     n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{
     n2.b(); }).start();
}

• 2 1s 后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    
 public static synchronized void a() {
    
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
    
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
    
 Number n1 = new Number();
 new Thread(()->{
     n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{
     n1.b(); }).start();
}

• 1s 后12， 或 2 1s后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    
 public static synchronized void a() {
    
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public static synchronized void b() {
    
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
    
 Number n1 = new Number();
 new Thread(()->{
     n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{
     n1.b(); }).start();
}

• 2 1s 后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    
 public static synchronized void a() {
    
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
    
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
    
 Number n1 = new Number();
 Number n2 = new Number();
 new Thread(()->{
     n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{
     n2.b(); }).start();
}

• 1s 后12， 或 2 1s后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    
 public static synchronized void a() {
    
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public static synchronized void b() {
    
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
    
 Number n1 = new Number();
 Number n2 = new Number();
 new Thread(()->{
     n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{
     n2.b(); }).start();
}