转：基于Java回顾之多线程同步的使用详解

在这篇文章里，我们关注线程同步的话题。这是比多线程更复杂，稍不留意，我们就会“掉到坑里”，而且和单线程程序不同，多线程的错误是否每次都出现，也是不固定的，这给调试也带来了很大的挑战
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首先阐述什么是同步，不同步有什么问题，然后讨论可以采取哪些措施控制同步，接下来我们会仿照回顾网络通信时那样，构建一个服务器端的“线程池”，JDK为我们提供了一个很大的concurrent工具包，最后我们会对里面的内容进行探索。

为什么要线程同步？

说到线程同步，大部分情况下， 我们是在针对“单对象多线程”的情况进行讨论，一般会将其分成两部分，一部分是关于“共享变量”，一部分关于“执行步骤”。

共享变量

当我们在线程对象（Runnable）中定义了全局变量，run方法会修改该变量时，如果有多个线程同时使用该线程对象，那么就会造成全局变量的值被同时修改，造成错误。我们来看下面的代码：


复制代码 代码如下:
共享变量造成同步问题
class MyRunner implements Runnable
{
     public int sum = 0;

     public void run()
     {
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
         for (int i = 1; i <= 100; i++)
         {
             sum += i;
         }
         try {
             Thread.sleep(500);
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- The value of sum is " + sum);
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
     }
}


private static void sharedVaribleTest() throws InterruptedException
{
     MyRunner runner = new MyRunner();
     Thread thread1 = new Thread(runner);
     Thread thread2 = new Thread(runner);
     thread1.setDaemon(true);
     thread2.setDaemon(true);
     thread1.start();
     thread2.start();
     thread1.join();
     thread2.join();
}

这个示例中，线程用来计算1到100的和是多少，我们知道正确结果是5050（好像是高斯小时候玩过这个？），但是上述程序返回的结果是10100，原因是两个线程同时对sum进行操作。

执行步骤

我们在多个线程运行时，可能需要某些操作合在一起作为“原子操作”，即在这些操作可以看做是“单线程”的，例如我们可能希望输出结果的样子是这样的：


复制代码 代码如下:
线程1：步骤1
线程1：步骤2
线程1：步骤3
线程2：步骤1
线程2：步骤2
线程2：步骤3

如果同步控制不好，出来的样子可能是这样的：
复制代码 代码如下:
线程1：步骤1
线程2：步骤1
线程1：步骤2
线程2：步骤2
线程1：步骤3
线程2：步骤3

这里我们也给出一个示例代码：
复制代码 代码如下:
执行步骤混乱带来的同步问题
class MyNonSyncRunner implements Runnable
{
     public void run() {
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
         for(int i = 1; i <= 5; i++)
         {
             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Running step " + i);
             try
             {
                 Thread.sleep(50);
             }
             catch(InterruptedException ex)
             {
                 ex.printStackTrace();
             }
         }
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
     }
}


private static void syncTest() throws InterruptedException
{
     MyNonSyncRunner runner = new MyNonSyncRunner();
     Thread thread1 = new Thread(runner);
     Thread thread2 = new Thread(runner);
     thread1.setDaemon(true);
     thread2.setDaemon(true);
     thread1.start();
     thread2.start();
     thread1.join();
     thread2.join();
}

如何控制线程同步

既然线程同步有上述问题，那么我们应该如何去解决呢？针对不同原因造成的同步问题，我们可以采取不同的策略。

控制共享变量

我们可以采取3种方式来控制共享变量。

将“单对象多线程”修改成“多对象多线程”

上文提及，同步问题一般发生在“单对象多线程”的场景中，那么最简单的处理方式就是将运行模型修改成“多对象多线程”的样子，针对上面示例中的同步问题，修改后的代码如下：


复制代码 代码如下:
解决共享变量问题方案一
private static void sharedVaribleTest2() throws InterruptedException
{
     Thread thread1 = new Thread(new MyRunner());
     Thread thread2 = new Thread(new MyRunner());
     thread1.setDaemon(true);
     thread2.setDaemon(true);
     thread1.start();
     thread2.start();
     thread1.join();
     thread2.join();
}

我们可以看到，上述代码中两个线程使用了两个不同的Runnable实例，它们在运行过程中，就不会去访问同一个全局变量。
将“全局变量”降级为“局部变量”

既然是共享变量造成的问题，那么我们可以将共享变量改为“不共享”，即将其修改为局部变量。这样也可以解决问题，同样针对上面的示例，这种解决方式的代码如下：


复制代码 代码如下:
解决共享变量问题方案二
class MyRunner2 implements Runnable
{
     public void run()
     {
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
         int sum = 0;
         for (int i = 1; i <= 100; i++)
         {
             sum += i;
         }
         try {
             Thread.sleep(500);
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- The value of sum is " + sum);
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
     }
}


private static void sharedVaribleTest3() throws InterruptedException
{
     MyRunner2 runner = new MyRunner2();
     Thread thread1 = new Thread(runner);
     Thread thread2 = new Thread(runner);
     thread1.setDaemon(true);
     thread2.setDaemon(true);
     thread1.start();
     thread2.start();
     thread1.join();
     thread2.join();
}

我们可以看出，sum变量已经由全局变量变为run方法内部的局部变量了。
使用ThreadLocal机制

ThreadLocal是JDK引入的一种机制，它用于解决线程间共享变量，使用ThreadLocal声明的变量，即使在线程中属于全局变量，针对每个线程来讲，这个变量也是独立的。

我们可以用这种方式来改造上面的代码，如下所示：


复制代码 代码如下:
解决共享变量问题方案三
class MyRunner3 implements Runnable
{
     public ThreadLocal<Integer> tl = new ThreadLocal<Integer>();

     public void run()
     {
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
         for (int i = 0; i <= 100; i++)
         {
             if (tl.get() == null)
             {
                 tl.set(new Integer(0));
             }
             int sum = ((Integer)tl.get()).intValue();
             sum+= i;
             tl.set(new Integer(sum));
             try {
                 Thread.sleep(10);
             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             }
         }

         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " --- The value of sum is " + ((Integer)tl.get()).intValue());
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
     }
}


private static void sharedVaribleTest4() throws InterruptedException
{
     MyRunner3 runner = new MyRunner3();
     Thread thread1 = new Thread(runner);
     Thread thread2 = new Thread(runner);
     thread1.setDaemon(true);
     thread2.setDaemon(true);
     thread1.start();
     thread2.start();
     thread1.join();
     thread2.join();
}

综上三种方案，第一种方案会降低多线程执行的效率，因此，我们推荐使用第二种或者第三种方案。

控制执行步骤

说到执行步骤，我们可以使用synchronized关键字来解决它。


复制代码 代码如下:
执行步骤问题解决方案
class MySyncRunner implements Runnable
{
     public void run() {
         synchronized(this)
         {
             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
             for(int i = 1; i <= 5; i++)
             {
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Running step " + i);
                 try
                 {
                     Thread.sleep(50);
                 }
                 catch(InterruptedException ex)
                 {
                     ex.printStackTrace();
                 }
             }
             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
         }
     }
}


private static void syncTest2() throws InterruptedException
{
     MySyncRunner runner = new MySyncRunner();
     Thread thread1 = new Thread(runner);
     Thread thread2 = new Thread(runner);
     thread1.setDaemon(true);
     thread2.setDaemon(true);
     thread1.start();
     thread2.start();
     thread1.join();
     thread2.join();
}

在线程同步的话题上，synchronized是一个非常重要的关键字。它的原理和数据库中事务锁的原理类似。我们在使用过程中，应该尽量缩减synchronized覆盖的范围，原因有二：1）被它覆盖的范围是串行的，效率低；2）容易产生死锁。我们来看下面的示例：
复制代码 代码如下:
synchronized示例
private static void syncTest3() throws InterruptedException
{
     final List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();

     Thread thread1 = new Thread()
     {
         public void run()
         {
             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
             Random r = new Random(100);
             synchronized(list)
             {
                 for (int i = 0; i < 5; i++)
                 {
                     list.add(new Integer(r.nextInt()));
                 }
                 System.out.println("The size of list is " + list.size());
             }
             try
             {
                 Thread.sleep(500);
             }
             catch(InterruptedException ex)
             {
                 ex.printStackTrace();
             }
             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
         }
     };

     Thread thread2 = new Thread()
     {
         public void run()
         {
             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " Start.");
             Random r = new Random(100);
             synchronized(list)
             {
                 for (int i = 0; i < 5; i++)
                 {
                     list.add(new Integer(r.nextInt()));
                 }
                 System.out.println("The size of list is " + list.size());
             }
             try
             {
                 Thread.sleep(500);
             }
             catch(InterruptedException ex)
             {
                 ex.printStackTrace();
             }
             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " End.");
         }
     };

     thread1.start();
     thread2.start();
     thread1.join();
     thread2.join();
}

我们应该把需要同步的内容集中在一起，尽量不包含其他不相关的、消耗大量资源的操作，示例中线程休眠的操作显然不应该包括在里面。

转载：http://www.jb51.net/article/36553.htm