雖然多線程編程極大地提高了效率，但是也會(huì)帶來(lái)一定的隱患。比如說(shuō)兩個(gè)線程同時(shí)往一個(gè)
數(shù)據(jù)庫(kù)表中插入不重復(fù)的數(shù)據(jù)，就可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)中插入了相同的數(shù)據(jù)。今天我們就來(lái)一起討論下線程安全問(wèn)題，以及Java中提供了什么機(jī)制來(lái)解決線程安全問(wèn)題。
一.什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)線程安全問(wèn)題？
在單線程中不會(huì)出現(xiàn)線程安全問(wèn)題，而在多線程編程中，有可能會(huì)出現(xiàn)同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)資源的情況，這種資源可以是各種類(lèi)型的的資源：一個(gè)變量、一個(gè)對(duì)象、一個(gè)文件、一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表等，而當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)資源的時(shí)候，就會(huì)存在一個(gè)問(wèn)題：
由于每個(gè)線程執(zhí)行的過(guò)程是不可控的，所以很可能導(dǎo)致最終的結(jié)果與實(shí)際上的愿望相違背或者直接導(dǎo)致程序出錯(cuò)。
舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：
現(xiàn)在有兩個(gè)線程分別從網(wǎng)絡(luò)上讀取數(shù)據(jù)，然后插入一張數(shù)據(jù)庫(kù)表中，要求不能插入重復(fù)的數(shù)據(jù)。
那么必然在插入數(shù)據(jù)的過(guò)程中存在兩個(gè)操作：
1）檢查數(shù)據(jù)庫(kù)中是否存在該條數(shù)據(jù)；
2）如果存在，則不插入；如果不存在，則插入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。
假如兩個(gè)線程分別用thread-1和thread-2表示，某一時(shí)刻，thread-1和thread-2都讀取到了數(shù)據(jù)X，那么可能會(huì)發(fā)生這種情況：
thread-1去檢查數(shù)據(jù)庫(kù)中是否存在數(shù)據(jù)X，然后thread-2也接著去檢查數(shù)據(jù)庫(kù)中是否存在數(shù)據(jù)X。
結(jié)果兩個(gè)線程檢查的結(jié)果都是數(shù)據(jù)庫(kù)中不存在數(shù)據(jù)X，那么兩個(gè)線程都分別將數(shù)據(jù)X插入數(shù)據(jù)庫(kù)表當(dāng)中。
這個(gè)就是線程安全問(wèn)題，即多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)一個(gè)資源時(shí)，會(huì)導(dǎo)致程序運(yùn)行結(jié)果并不是想看到的結(jié)果。
這里面，這個(gè)資源被稱為：臨界資源（也有稱為共享資源）。
也就是說(shuō)，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)臨界資源（一個(gè)對(duì)象，對(duì)象中的屬性，一個(gè)文件，一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)等）時(shí)，就可能會(huì)產(chǎn)生線程安全問(wèn)題。
不過(guò)，當(dāng)多個(gè)線程執(zhí)行一個(gè)方法，方法內(nèi)部的局部變量并不是臨界資源，因?yàn)榉椒ㄊ窃跅Ｉ蠄?zhí)行的，而Java棧是線程私有的，因此不會(huì)產(chǎn)生線程安全問(wèn)題。
二.如何解決線程安全問(wèn)題？
那么一般來(lái)說(shuō)，是如何解決線程安全問(wèn)題的呢？
基本上所有的并發(fā)模式在解決線程安全問(wèn)題時(shí)，都采用“序列化訪問(wèn)臨界資源”的方案，即在同一時(shí)刻，只能有一個(gè)線程訪問(wèn)臨界資源，也稱作同步互斥訪問(wèn)。
通常來(lái)說(shuō)，是在訪問(wèn)臨界資源的代碼前面加上一個(gè)鎖，當(dāng)訪問(wèn)完臨界資源后釋放鎖，讓其他線程繼續(xù)訪問(wèn)。
在Java中，提供了兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)同步互斥訪問(wèn)：synchronized和Lock。
本文主要講述synchronized的使用方法，Lock的使用方法在下一篇博文中講述。
三.synchronized同步方法或者同步塊
在了解synchronized關(guān)鍵字的使用方法之前，我們先來(lái)看一個(gè)概念：互斥鎖，顧名思義：能到達(dá)到互斥訪問(wèn)目的的鎖。
舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：如果對(duì)臨界資源加上互斥鎖，當(dāng)一個(gè)線程在訪問(wèn)該臨界資源時(shí)，其他線程便只能等待。
在Java中，每一個(gè)對(duì)象都擁有一個(gè)鎖標(biāo)記（monitor），也稱為監(jiān)視器，多線程同時(shí)訪問(wèn)某個(gè)對(duì)象時(shí)，線程只有獲取了該對(duì)象的鎖才能訪問(wèn)。
在Java中，可以使用synchronized關(guān)鍵字來(lái)標(biāo)記一個(gè)方法或者代碼塊，當(dāng)某個(gè)線程調(diào)用該對(duì)象的synchronized方法或者訪問(wèn)synchronized代碼塊時(shí)，這個(gè)線程便獲得了該對(duì)象的鎖，其他線程暫時(shí)無(wú)法訪問(wèn)這個(gè)方法，只有等待這個(gè)方法執(zhí)行完畢或者代碼塊執(zhí)行完畢，這個(gè)線程才會(huì)釋放該對(duì)象的鎖，其他線程才能執(zhí)行這個(gè)方法或者代碼塊。
下面通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明synchronized關(guān)鍵字的使用：
1.synchronized方法
下面這段代碼中兩個(gè)線程分別調(diào)用insertData對(duì)象插入數(shù)據(jù)：
public class Test { public static void main(String[] args) { final InsertData insertData = new InsertData(); new Thread() { public void run() { insertData.insert(Thread.currentThread()); }; }.start(); new Thread() { public void run() { insertData.insert(Thread.currentThread()); }; }.start(); } } class InsertData { private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>(); public void insert(Thread thread){ for(int i=0;i<5;i++){ System.out.println(thread.getName()+"在插入數(shù)據(jù)"+i); arrayList.add(i); } } } |
此時(shí)程序的輸出結(jié)果為：
說(shuō)明兩個(gè)線程在同時(shí)執(zhí)行insert方法。
而如果在insert方法前面加上關(guān)鍵字synchronized的話，運(yùn)行結(jié)果為：
class InsertData { private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>(); public synchronized void insert(Thread thread){ for(int i=0;i<5;i++){ System.out.println(thread.getName()+"在插入數(shù)據(jù)"+i); arrayList.add(i); } } } |
從上輸出結(jié)果說(shuō)明，Thread-1插入數(shù)據(jù)是等Thread-0插入完數(shù)據(jù)之后才進(jìn)行的。說(shuō)明Thread-0和Thread-1是順序執(zhí)行insert方法的。
這就是synchronized方法。
不過(guò)有幾點(diǎn)需要注意：
1）當(dāng)一個(gè)線程正在訪問(wèn)一個(gè)對(duì)象的synchronized方法，那么其他線程不能訪問(wèn)該對(duì)象的其他synchronized方法。這個(gè)原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)橐粋€(gè)對(duì)象只有一把鎖，當(dāng)一個(gè)線程獲取了該對(duì)象的鎖之后，其他線程無(wú)法獲取該對(duì)象的鎖，所以無(wú)法訪問(wèn)該對(duì)象的其他synchronized方法。
2）當(dāng)一個(gè)線程正在訪問(wèn)一個(gè)對(duì)象的synchronized方法，那么其他線程能訪問(wèn)該對(duì)象的非synchronized方法。這個(gè)原因很簡(jiǎn)單，訪問(wèn)非synchronized方法不需要獲得該對(duì)象的鎖，假如一個(gè)方法沒(méi)用synchronized關(guān)鍵字修飾，說(shuō)明它不會(huì)使用到臨界資源，那么其他線程是可以訪問(wèn)這個(gè)方法的，
3）如果一個(gè)線程A需要訪問(wèn)對(duì)象object1的synchronized方法fun1，另外一個(gè)線程B需要訪問(wèn)對(duì)象object2的synchronized方法fun1，即使object1和object2是同一類(lèi)型），也不會(huì)產(chǎn)生線程安全問(wèn)題，因?yàn)樗麄冊(cè)L問(wèn)的是不同的對(duì)象，所以不存在互斥問(wèn)題。
2.synchronized代碼塊
synchronized代碼塊類(lèi)似于以下這種形式：
synchronized(synObject) {
}
當(dāng)在某個(gè)線程中執(zhí)行這段代碼塊，該線程會(huì)獲取對(duì)象synObject的鎖，從而使得其他線程無(wú)法同時(shí)訪問(wèn)該代碼塊。
synObject可以是this，代表獲取當(dāng)前對(duì)象的鎖，也可以是類(lèi)中的一個(gè)屬性，代表獲取該屬性的鎖。
比如上面的insert方法可以改成以下兩種形式：
class InsertData { private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>(); public void insert(Thread thread){ synchronized (this) { for(int i=0;i<100;i++){ System.out.println(thread.getName()+"在插入數(shù)據(jù)"+i); arrayList.add(i); } } } } class InsertData { private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>(); private Object object = new Object(); public void insert(Thread thread){ synchronized (object) { for(int i=0;i<100;i++){ System.out.println(thread.getName()+"在插入數(shù)據(jù)"+i); arrayList.add(i); } } } } |
從上面可以看出，synchronized代碼塊使用起來(lái)比synchronized方法要靈活得多。因?yàn)橐苍S一個(gè)方法中只有一部分代碼只需要同步，如果此時(shí)對(duì)整個(gè)方法用synchronized進(jìn)行同步，會(huì)影響程序執(zhí)行效率。而使用synchronized代碼塊就可以避免這個(gè)問(wèn)題，synchronized代碼塊可以實(shí)現(xiàn)只對(duì)需要同步的地方進(jìn)行同步。
另外，每個(gè)類(lèi)也會(huì)有一個(gè)鎖，它可以用來(lái)控制對(duì)static數(shù)據(jù)成員的并發(fā)訪問(wèn)。
并且如果一個(gè)線程執(zhí)行一個(gè)對(duì)象的非static synchronized方法，另外一個(gè)線程需要執(zhí)行這個(gè)對(duì)象所屬類(lèi)的static synchronized方法，此時(shí)不會(huì)發(fā)生互斥現(xiàn)象，因?yàn)樵L問(wèn)static synchronized方法占用的是類(lèi)鎖，而訪問(wèn)非static synchronized方法占用的是對(duì)象鎖，所以不存在互斥現(xiàn)象。
看下面這段代碼就明白了：
public class Test { public static void main(String[] args) { final InsertData insertData = new InsertData(); new Thread(){ @Override public void run() { insertData.insert(); } }.start(); new Thread(){ @Override public void run() { insertData.insert1(); } }.start(); } } class InsertData { public synchronized void insert(){ System.out.println("執(zhí)行insert"); try { Thread.sleep(5000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("執(zhí)行insert完畢"); } public synchronized static void insert1() { System.out.println("執(zhí)行insert1"); System.out.println("執(zhí)行insert1完畢"); } } |
執(zhí)行結(jié)果;
第一個(gè)線程里面執(zhí)行的是insert方法，不會(huì)導(dǎo)致第二個(gè)線程執(zhí)行insert1方法發(fā)生阻塞現(xiàn)象。
下面我們看一下synchronized關(guān)鍵字到底做了什么事情，我們來(lái)反編譯它的字節(jié)碼看一下，下面這段代碼反編譯后的字節(jié)碼為：
public class InsertData { private Object object = new Object(); public void insert(Thread thread){ synchronized (object) { } } public synchronized void insert1(Thread thread){ } public void insert2(Thread thread){ } } |
從反編譯獲得的字節(jié)碼可以看出，synchronized代碼塊實(shí)際上多了monitorenter和monitorexit兩條指令。monitorenter指令執(zhí)行時(shí)會(huì)讓對(duì)象的鎖計(jì)數(shù)加1，而monitorexit指令執(zhí)行時(shí)會(huì)讓對(duì)象的鎖計(jì)數(shù)減1，其實(shí)這個(gè)與操作系統(tǒng)里面的PV操作很像，操作系統(tǒng)里面的PV操作就是用來(lái)控制多個(gè)線程對(duì)臨界資源的訪問(wèn)。對(duì)于synchronized方法，執(zhí)行中的線程識(shí)別該方法的 method_info 結(jié)構(gòu)是否有 ACC_SYNCHRONIZED 標(biāo)記設(shè)置，然后它自動(dòng)獲取對(duì)象的鎖，調(diào)用方法，最后釋放鎖。如果有異常發(fā)生，線程自動(dòng)釋放鎖。
有一點(diǎn)要注意：對(duì)于synchronized方法或者synchronized代碼塊，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，JVM會(huì)自動(dòng)釋放當(dāng)前線程占用的鎖，因此不會(huì)由于異常導(dǎo)致出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象。
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