上篇通过一个简单的例子说明了线程安全与不安全,在例子中不安全的情况下输出的结果恰好是逐个递增的,为什么会产生这样的结果呢,因为建立的Count对象是线程共享的,一个线程改变了其成员变量num值,下一个线程正巧读到了修改后的num,所以会递增输出。

        要说明线程同步问题首先要说明Java线程的两个特性,可见性和有序性。多个线程之间是不能直接传递数据交互的,它们之间的交互只能通过共享变量来实现。拿上篇博文中的例子来说明,在多个线程之间共享了Count类的一个对象,这个对象是被创建在主内存(堆内存)中,每个线程都有自己的工作内存(线程栈),工作内存存储了主内存Count对象的一个副本,当线程操作Count对象时,首先从主内存复制Count对象到工作内存中,然后执行代码count.count(),改变了num值,最后用工作内存Count刷新主内存Count。当一个对象在多个内存中都存在副本时,如果一个内存修改了共享变量,其它线程也应该能够看到被修改后的值,此为可见性。由上述可知,一个运算赋值操作并不是一个原子性操作,多个线程执行时,CPU对线程的调度是随机的,我们不知道当前程序被执行到哪步就切换到了下一个线程,一个最经典的例子就是银行汇款问题,一个银行账户存款100,这时一个人从该账户取10元,同时另一个人向该账户汇10元,那么余额应该还是100。那么此时可能发生这种情况,A线程负责取款,B线程负责汇款,A从出内存读到100,B从主内存读到100,A执行减10操作,并将数据刷新到主内存,这时主内存数据100-10=90,而B内存执行加10操作,并将数据刷新到主内存,最后主内存数据100+10=110,显然这是一个严重的问题,我们要保证A线程和B线程有序执行,先取款后汇款或者先汇款后取款,此为有序性

 

        下面同样用代码来展示一下线程同步问题。

 

        TraditionalThreadSynchronized.java:创建两个线程,执行同一个对象的输出方法。

 

[java]
  1. public class TraditionalThreadSynchronized {  
  2.     public static void main(String[] args) {  
  3.         final Outputter output = new Outputter();  
  4.         new Thread() {  
  5.             public void run() {  
  6.                 output.output("zhangsan");  
  7.             };  
  8.         }.start();        
  9.         new Thread() {  
  10.             public void run() {  
  11.                 output.output("lisi");  
  12.             };  
  13.         }.start();  
  14.     }  
  15. }  
  16. class Outputter {  
  17.     public void output(String name) {  
  18.         // TODO 为了保证对name的输出不是一个原子操作,这里逐个输出name的每个字符   
  19.         for(int i = 0; i < name.length(); i++) {  
  20.             System.out.print(name.charAt(i));  
  21.         }  
  22.     }  
  23. }  
public class TraditionalThreadSynchronized {	public static void main(String[] args) {		final Outputter output = new Outputter();		new Thread() {			public void run() {				output.output("zhangsan");			};		}.start();				new Thread() {			public void run() {				output.output("lisi");			};		}.start();	}}class Outputter {	public void output(String name) {		// TODO 为了保证对name的输出不是一个原子操作,这里逐个输出name的每个字符		for(int i = 0; i < name.length(); i++) {			System.out.print(name.charAt(i));		}	}}

        运行结果:

 

 

[java]
  1. zhlainsigsan  
zhlainsigsan

        显然输出的字符串被打乱了,我们期望的输出结果是zhangsanlisi,这就是线程同步问题,我们希望output方法被一个线程完整的执行完之后在切换到下一个线程,Java中使用synchronized保证一段代码在多线程执行时是互斥的,有两种用法:

 

        1. 使用synchronized将需要互斥的代码包含起来,并上一把锁。

 

[java]
  1. synchronized (this) {  
  2.     for(int i = 0; i < name.length(); i++) {  
  3.         System.out.print(name.charAt(i));  
  4.     }  
  5. }  
synchronized (this) {    for(int i = 0; i < name.length(); i++) {        System.out.print(name.charAt(i));    }}

        这把锁必须是线程间的共享对象,像下面的代码是没有意义的。

 

 

[java]
  1. Object lock = new Object();  
  2. synchronized (lock) {  
  3.     for(int i = 0; i < name.length(); i++) {  
  4.         System.out.print(name.charAt(i));  
  5.     }  
  6. }  
Object lock = new Object();synchronized (lock) {    for(int i = 0; i < name.length(); i++) {        System.out.print(name.charAt(i));    }}

        每次进入output方法都会创建一个新的lock,这个锁显然每个线程都会创建,没有意义。

 

        2. 将synchronized加在需要互斥的方法上。

 

 

[java]
  1. public synchronized void output(String name) {  
  2.     // TODO 线程输出方法   
  3.     for(int i = 0; i < name.length(); i++) {  
  4.         System.out.print(name.charAt(i));  
  5.     }  
  6. }  
public synchronized void output(String name) {    // TODO 线程输出方法    for(int i = 0; i < name.length(); i++) {        System.out.print(name.charAt(i));    }}

        这种方式就相当于用this锁住整个方法内的代码块,如果用synchronized加在静态方法上,就相当于用××××.class锁住整个方法内的代码块。使用synchronized在某些情况下会造成死锁,死锁问题以后会说明。

 

 

        每个锁对象都有两个队列,一个是就绪队列,一个是阻塞队列,就绪队列存储了将要获得锁的线程,阻塞队列存储了被阻塞的线程,当一个线程被唤醒(notify)后,才会进入到就绪队列,等待CPU的调度,反之,当一个线程被wait后,就会进入阻塞队列,等待下一次被唤醒,这个涉及到线程间的通信,下一篇博文会说明。看我们的例子,当地一个线程执行输出方法时,获得同步锁,执行输出方法,恰好此时第二个线程也要执行输出方法,但发现同步锁没有被释放,第二个线程就会进入就绪队列,等待锁被释放。一个线程执行互斥代码过程如下:

 

        1. 获得同步锁;

        2. 清空工作内存;

 

        3. 从主内存拷贝对象副本到工作内存;

 

        4. 执行代码(计算或者输出等);

 

        5. 刷新主内存数据;

 

        6. 释放同步锁。

 

        所以,synchronized既保证了多线程的并发有序性,又保证了多线程的内存可见性。

 

        volatile是第二种Java多线程同步的手段,根据JLS的说法,一个变量可以被volatile修饰,在这种情况下内存模型确保所有线程可以看到一致的变量值,来看一段代码:

 

 

[java]
  1. class Test {  
  2.     static int i = 0, j = 0;  
  3.     static void one() {  
  4.         i++;  
  5.         j++;  
  6.     }  
  7.     static void two() {  
  8.         System.out.println("i=" + i + " j=" + j);  
  9.     }  
  10. }  
class Test {	static int i = 0, j = 0;	static void one() {		i++;		j++;	}	static void two() {		System.out.println("i=" + i + " j=" + j);	}}

        一些线程执行one方法,另一些线程执行two方法,two方法有可能打印出j比i大的值,按照之前分析的线程执行过程分析一下:

 

        1. 将变量i从主内存拷贝到工作内存;

        2. 改变i的值;

        3. 刷新主内存数据;

 

        4. 将变量j从主内存拷贝到工作内存;

        5. 改变j的值;

        6. 刷新主内存数据;

        这个时候执行two方法的线程先读取了主存i原来的值又读取了j改变后的值,这就导致了程序的输出不是我们预期的结果,那么可以在共享变量之前加上volatile。

 

[java]
  1. class Test {  
  2.     static volatile int i = 0, j = 0;  
  3.     static void one() {  
  4.         i++;  
  5.         j++;  
  6.     }  
  7.     static void two() {  
  8.         System.out.println("i=" + i + " j=" + j);  
  9.     }  
  10. }  
class Test {	static volatile int i = 0, j = 0;	static void one() {		i++;		j++;	}	static void two() {		System.out.println("i=" + i + " j=" + j);	}}

        加上volatile可以将共享变量i和j的改变直接响应到主内存中,这样保证了i和j的值可以保持一致,然而我们不能保证执行two方法的线程是在i和j执行到什么程度获取到的,所以volatile可以保证内存可见性,不能保证并发有序性。