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juc-03-synchronized、notify、notifyAll、wait、volatile

标签：
Java

这篇文章，给大家介绍一下几个与线程间同步相关的关键字：synchronized、notify、notifyAll、wait、volatile。

1 synchronized 内置锁

synchronized 是Java提供的一个并发控制的关键字。

synchronized 内置锁分两种：

  • 对象锁：锁的是类的对象实例。作用在实例方法，或者实例代码块上。
  • 类锁：锁的是类的Class对象，每个类的的Class对象在一个JVM中只有一个，所以类锁也只有一个。作用在 static 方法，或者 static 代码块上。

1.1 没有锁，多线程并发对SyncObj中的value值+1

public class SyncObj {

    //数值
    private static int value;

    public SyncObj() {
    }

    /**
     * 不加锁，SyncClazz中的类变量value +1
     */
    public void addNoLock() {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " -no lock- " + ++value);
        }
    }

}

public class TestSynchronized {
    /**
     * 测试没有锁
     *
     * @throws InterruptedException
     */
    @Test
    public void testNoLock() throws InterruptedException {
        SyncObj so1 = new SyncObj();
        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        // 使用多线程去执行 SyncObj.sayHello()
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 不加锁，不同线程，并发去对 so1 中的类变量value +1
                    // addNoLock() 没有加锁，线程不安全
                    so1.addNoLock();
                }
            });
            list.add(thread);
        }
        for (Thread thread : list) {
            thread.start();
        }
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
    }
}

运行结果，可以看到有很多重复的数值，4个重复的1，2个重复的7…：

Thread-3 -no lock- 1
Thread-4 -no lock- 1
Thread-2 -no lock- 2
Thread-1 -no lock- 1
Thread-0 -no lock- 1
Thread-3 -no lock- 2
Thread-0 -no lock- 3
Thread-1 -no lock- 4
Thread-2 -no lock- 4
Thread-4 -no lock- 5
Thread-3 -no lock- 6
Thread-4 -no lock- 7
Thread-1 -no lock- 7
Thread-0 -no lock- 8
Thread-2 -no lock- 8

1.2 对象锁

对象锁：锁的是类的对象实例。作用在实例方法，或者实例代码块上。

public synchronized void print() {
    ...
}

等价于，锁的都是当前的实例对象(this)。

public void print() {
    synchronized (this){
        ...
    }
}

1.2.1 对象锁，测试不同实例持有同一把对象锁，SyncObj中的类变量 value 还是线程安全地递增

public class SyncObj {

    //数值
    private static int value;

    //对象锁
    private Object lock = null;

    public SyncObj() {
    }

    public SyncObj(Object lock) {
        this.lock = lock;
    }

    /**
     * 对象锁，进行打印
     * synchronized 作用在实例方法(未使用static修饰的方法)
     * 用的锁是对象锁，是当前实例对象，也就是 this
     */
    public synchronized void print() {
        // 对于所有请求同一个对象锁资源的线程来说，下面的代码是线程安全的
        // 其他试图访问该对象锁线程将被阻塞
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " -obj lock print- " + ++value);
        }
    }

    /**
     * 对象锁，当前实例类变量value +1
     */
    public void add() {
        // synchronized 作用在代码块上
        // 如果 synchronized 作用的是类的对象实例，是对象锁
        // 如果 synchronized 作用的是类的Class对象，是类锁
        synchronized (this.lock) {
            // 对于所有请求同一个对象锁资源的线程来说，下面的代码是线程安全的
            // 其他试图访问该对象锁线程将被阻塞
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                try {
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " -obj lock add- " + ++value);
            }
        }
    }

    /**
     * 不加锁，SyncClazz中的类变量value +1
     */
    public void addNoLock() {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " -no lock- " + ++value);
        }
    }
}


    /**
     * 测试不同实例持有同一把对象锁，SyncObj中的类变量 value 还是线程安全地递增
     *
     * @throws InterruptedException
     */
    @Test
    public void testSyncObjSameLock() throws InterruptedException {
        //对象锁
        Object lock = new Object();
        SyncObj so1 = new SyncObj(lock);
        SyncObj so2 = new SyncObj(lock);
        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        // 使用多线程去执行 SyncObj.sayHello()
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            //当前线程执行的实例
            SyncObj instance = i < 3 ? so1 : so2;
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 加对象锁，不同线程，并发去对持有同一把对象锁不同实例中的类变量value +1
                    // add() 加了同一把对象锁，类变量value还是线程安全递增
                    instance.add();
                }
            });
            list.add(thread);
        }
        for (Thread thread : list) {
            thread.start();
        }
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
    }

运行结果：

Thread-0 -obj lock add- 1
Thread-0 -obj lock add- 2
Thread-0 -obj lock add- 3
Thread-2 -obj lock add- 4
Thread-2 -obj lock add- 5
Thread-2 -obj lock add- 6
Thread-1 -obj lock add- 7
Thread-1 -obj lock add- 8
Thread-1 -obj lock add- 9
Thread-4 -obj lock add- 10
Thread-4 -obj lock add- 11
Thread-4 -obj lock add- 12
Thread-3 -obj lock add- 13
Thread-3 -obj lock add- 14
Thread-3 -obj lock add- 15

1.2.1 对象锁，测试不同实例持有不同对象锁，SyncObj中的类变量 value 递增不是线程安全的


    /**
     * 测试不同实例持有不同对象锁，SyncObj中的类变量 value 递增不是线程安全的
     *
     * @throws InterruptedException
     */
    @Test
    public void testSyncObjDiffLock() throws InterruptedException {
        //对象锁
        Object lock1 = new Object();
        Object lock2 = new Object();
        SyncObj so1 = new SyncObj(lock1);
        SyncObj so2 = new SyncObj(lock2);
        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        // 使用多线程去执行 SyncObj.sayHello()
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            //当前线程执行的实例
            SyncObj instance = i < 3 ? so1 : so2;
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 加对象锁，不同线程，并发去对 so1 中的类变量value +1
                    // add() 加了同一把对象锁，类变量value还是线程安全递增
                    instance.add();
                }
            });
            list.add(thread);
        }
        for (Thread thread : list) {
            thread.start();
        }
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
    }

运行结果，可以看到有重复的数值，2个1，2个10：

Thread-0 -obj lock add- 1
Thread-3 -obj lock add- 1
Thread-0 -obj lock add- 2
Thread-3 -obj lock add- 3
Thread-3 -obj lock add- 4
Thread-0 -obj lock add- 5
Thread-4 -obj lock add- 6
Thread-2 -obj lock add- 7
Thread-4 -obj lock add- 8
Thread-2 -obj lock add- 9
Thread-2 -obj lock add- 10
Thread-4 -obj lock add- 10
Thread-1 -obj lock add- 11
Thread-1 -obj lock add- 12
Thread-1 -obj lock add- 13

1.3 类锁

类锁：锁的是类的Class对象，每个类的的Class对象在一个JVM中只有一个，所以类锁也只有一个。作用在 static 方法，或者 static 代码块上。

public static synchronized void print() {
    ...
}

等价于，锁的都是类的Class对象(SyncClazz.class)。

public static void print() {
    synchronized (SyncClazz.class){
        ...
    }
}

1.3.1 测试类锁，不同线程，不同的SyncClazz实例 并发去对SyncClazz中的类变量value +1 都是线程安全的

public class SyncClazz {

    // 当前数值
    private static int value;

    /**
     * synchronized 作用在static方法是类锁，锁的是类的Class对象
     */
    public static synchronized void print() {
        // 获得类锁后，下面的代码是线程安全的
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " -class lock print- " + ++value);
        }
    }

    /**
     * 类锁，SyncClazz中的类变量value +1
     */
    public void add() {
        // synchronized 作用在代码块上
        // 如果 synchronized 作用的是类的对象实例，是对象锁
        // 如果 synchronized 作用的是类的Class对象，是类锁
        synchronized (SyncClazz.class) {
            // 获得类锁后，下面的代码是线程安全的
            for (int i = 0; i < 3; i++) {
                try {
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " -class lock add- " + ++value);
            }
        }
    }

    /**
     * 不加锁，SyncClazz中的类变量value +1
     */
    public void addNoLock() {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " -no lock- " + ++value);
        }
    }
}

    /**
     * 测试类锁，add() 加类锁，线程安全
     * 不同线程，不同的SyncClazz实例 并发去对SyncClazz中的类变量value +1 都是线程安全的，value数值有序地加一递增
     *
     * @throws InterruptedException
     */
    @Test
    public void testSyncClazz() throws InterruptedException {
        SyncClazz sc1 = new SyncClazz();
        SyncClazz sc2 = new SyncClazz();
        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        // 使用多线程去执行 SyncClazz.sayHello()
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            //当前线程执行的实例
            SyncClazz instance = i < 3 ? sc1 : sc2;
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 不同线程，不同的SyncClazz实例 并发去对SyncClazz中的类变量value +1
                    // add() 加类锁，线程安全
                    instance.add();
                }
            });
            list.add(thread);
        }
        for (Thread thread : list) {
            thread.start();
        }
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
    }

运行结果：

Thread-0 -class lock add- 1
Thread-0 -class lock add- 2
Thread-0 -class lock add- 3
Thread-4 -class lock add- 4
Thread-4 -class lock add- 5
Thread-4 -class lock add- 6
Thread-2 -class lock add- 7
Thread-2 -class lock add- 8
Thread-2 -class lock add- 9
Thread-3 -class lock add- 10
Thread-3 -class lock add- 11
Thread-3 -class lock add- 12
Thread-1 -class lock add- 13
Thread-1 -class lock add- 14
Thread-1 -class lock add- 15

2 等待和通知：notify、notifyAll、wait

notify、notifyAll、wait 这三个方法都是 Object 类中定义的方法。
前提: 持有当前对象的锁，才能调用当前的对象的notify、notifyAll、wait 这三个方法。

  • wait() 等待，当业务执行的某个条件不成立时，执行wait()方法，放弃持有的锁，阻塞当前的线程，等待需要的条件成立。
  • notify/notifyAll 唤醒，唤醒的是所有等待当前锁的线程，这些线程重新回到就绪状态，争抢cpu资源。

2.1 notifyAll和wait，演示生产者和消费者

//生产者
public class Producer implements Runnable{

    private Factory factory;

    public Producer(Factory factory) {
        this.factory = factory;
    }

    @Override
    public void run() {
        // 每个生产者生产3次
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            try {
                // 生产时间设置 200 ms
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
                // 生产者，通过 factory 类生产
                factory.produce();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

// 消费者
public class Consumer implements Runnable {

    private Factory factory;

    public Consumer(Factory factory) {
        this.factory = factory;
    }

    @Override
    public void run() {
        // 每个消费者生产3次
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            try {
                // 消费时间设置 200 ms
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
                // 消费者通过 factory 消费
                factory.consume();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

//工厂
public class Factory {

    // 可生产的最大数量
    private final int maxCount = 5;

    // 当前已有数量
    private int curCount;

    /**
     * 生产
     */
    public synchronized void produce() throws InterruptedException {
        // 抢到锁
        while (curCount >= maxCount) {
            System.out.println("生产已满，等待消费--" + Thread.currentThread().getName());
            // wait() 释放当前持有的锁
            this.wait();
        }
        this.curCount++;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "生产，当前数量--" + curCount);
        // 唤醒当前正在阻塞等待this对象锁的线程
        this.notifyAll();
    }

    /**
     * 消费
     */
    public synchronized void consume() throws InterruptedException {
        while (curCount <= 0) {
            System.out.println("无货消费，等待生产====" + Thread.currentThread().getName());
            // wait() 释放当前持有的锁
            this.wait();
        }
        this.curCount--;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "消费，当前剩余数量--" + curCount);
        // 唤醒当前正在阻塞等待this对象锁的线程
        this.notifyAll();
    }
}

// 测试生产者消费者
public class TestProducerConsumer {

    @Test
    public void testProducerConsumer() throws InterruptedException {
        Factory factory = new Factory();
        new Thread(new Producer(factory), "生产者A").start();
        new Thread(new Producer(factory), "生产者B").start();
        new Thread(new Producer(factory), "生产者C").start();
        new Thread(new Consumer(factory), "消费者1").start();
        new Thread(new Consumer(factory), "消费者2").start();
        new Thread(new Consumer(factory), "消费者3").start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(20);
    }
}

运行结果:

生产者C生产，当前数量--1
生产者A生产，当前数量--2
生产者B生产，当前数量--3
消费者2消费，当前剩余数量--2
消费者3消费，当前剩余数量--1
消费者1消费，当前剩余数量--0
生产者A生产，当前数量--1
生产者B生产，当前数量--2
消费者1消费，当前剩余数量--1
生产者C生产，当前数量--2
消费者3消费，当前剩余数量--1
消费者2消费，当前剩余数量--0
无货消费，等待生产====消费者3
生产者C生产，当前数量--1
消费者1消费，当前剩余数量--0
无货消费，等待生产====消费者2
生产者B生产，当前数量--1
生产者A生产，当前数量--2
消费者2消费，当前剩余数量--1
消费者3消费，当前剩余数量--0

3 volatile

volatile: 当多个线程进行操作共享数据时，可以保证内存中的数据可见，相较于 synchronized 是一种更为轻量级的同步策略。

可见性，是指线程之间的可见性，一个线程修改的状态对另一个线程是可见的，也就是一个线程修改的结果，另一个线程马上就能看到。用volatile修饰的变量，该变量就具有可见性。

volatile修饰的变量不允许线程内部缓存和重排序，即直接读写内存，所以对其他线程是可见的。
注意：volatile只能保证所修饰内容具有可见性，但不能保证原子性。
比如 volatile int a = 0；之后有一个操作 a++；这个变量a具有可见性，但是a++ 依然是一个非原子操作，也就是这个操作同样存在线程安全问题。

3.1 演示变量未加volatile时，线程间可见性问题

public class TestVolatile {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        FlagThread thread = new FlagThread();
        thread.start();
        while (!thread.isFlag()){
            if(thread.isFlag()){
                System.out.println("读取到 flag = true");
                break;
            }
        }
    }
}

class FlagThread extends Thread {

    private boolean flag;

    public boolean isFlag() {
        return flag;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        this.flag = true;
    }
}

运行结果，主线程检测不到 FlagThread 中 flag 的变化，一直在while循环中，跳不出来：
图片描述

3.2 使用 volatile 修饰变量，保证变量修改后，线程间可见

public class TestVolatile {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        FlagThread thread = new FlagThread();
        thread.start();
        while (!thread.isFlag()){
            if(thread.isFlag()){
                System.out.println("读取到 flag = true");
                break;
            }
        }
    }
}

class FlagThread extends Thread {

    // 使用 volatile 修饰变量，保证变量修改后，线程间可见
    private volatile boolean flag;

    public boolean isFlag() {
        return flag;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        this.flag = true;
    }
}

运行结果：

读取到 flag = true

上面简单地演示了 synchronized 和 volatile 关键字的用法，还通过 wait() 和 notifyAll() 写了一个生产者消费者，线程间同步的Demo。

代码：
https://github.com/wengxingxia/002juc.git

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发表于 2020.09.21 11:16， 共 1105 人浏览

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