Java

线程安全与加锁

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什么时候会出现线程安全问题

首先，单线程肯定不会出现线程安全问题，只有多线程中才会出现。当多个线程访问同一个资源的时候，就可能会出现线程不安全。

现在有两个线程分别从网络上读取数据，然后插入一张数据库表中，要求不能插入重复的数据。

那么必然在插入数据的过程中存在两个操作：

  1. 检查数据库中是否存在该条数据；

  2. 如果存在，则不插入；如果不存在，则插入到数据库中。

假如两个线程分别用thread-1和thread-2表示，某一时刻，thread-1和thread-2都读取到了数据X，那么可能会发生这种情况：

thread-1去检查数据库中是否存在数据X，然后thread-2也接着去检查数据库中是否存在数据X。

结果两个线程检查的结果都是数据库中不存在数据X，那么两个线程都分别将数据X插入数据库表当中。这样数据库中的数据就出错了。这就是一个典型的线程不安全。

前面说到：当多个线程访问同一个资源的时候，就可能会出现线程不安全。我们把这个资源叫做临界资源（也有称为共享资源）。

如何解决线程安全问题

基本上所有的并发模式在解决线程安全问题时，都采用“序列化访问临界资源”的方案，即在同一时刻，只能有一个线程访问临界资源，也称作同步互斥访问。

通常来说，是在访问临界资源的代码前面加上一个锁，当访问完临界资源后释放锁，让其他线程继续访问。

在Java中，提供了两种方式来实现同步互斥访问：synchronized和Lock。

Synchronized

在Java中，可以使用synchronized关键字来标记一个方法或者代码块，当某个线程调用该对象的synchronized方法或者访问synchronized代码块时，这个线程便获得了该对象的锁，其他线程暂时无法访问这个方法，只有等待这个方法执行完毕或者代码块执行完毕，这个线程才会释放该对象的锁，其他线程才能执行这个方法或者代码块。

Synchronized锁有两种形式

第一种是直接在方法中添加关键字：

public class SynchronizedTest {

    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 synchronized void insert(Thread thread){
        for(int i=0;i<5;i++){
            System.out.println(thread.getName()+"在插入数据"+i);
            arrayList.add(i);
        }
    }
}

或者用synchronized关键字来标记一个代码块

public class SynchronizedTest {

    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>();
    private Object object = new Object();

    public void insert(Thread thread){
        synchronized(object){
            for(int i=0;i<5;i++){
            System.out.println(thread.getName()+"在插入数据"+i);
            arrayList.add(i);
            }
        }

    }


}

最后都是同样的结果

run:
Thread-0在插入数据0
Thread-0在插入数据1
Thread-0在插入数据2
Thread-0在插入数据3
Thread-0在插入数据4
Thread-1在插入数据0
Thread-1在插入数据1
Thread-1在插入数据2
Thread-1在插入数据3
Thread-1在插入数据4
成功构建 (总时间: 0 秒)

需要注意的是

  1. 当一个线程正在访问一个对象的synchronized方法，那么其他线程不能访问该对象的其他synchronized方法。这个原因很简单，因为一个对象只有一把锁，当一个线程获取了该对象的锁之后，其他线程无法获取该对象的锁，所以无法访问该对象的其他synchronized方法。

  2. 当一个线程正在访问一个对象的synchronized方法，那么其他线程能访问该对象的非synchronized方法。这个原因很简单，访问非synchronized方法不需要获得该对象的锁，假如一个方法没用synchronized关键字修饰，说明它不会使用到临界资源，那么其他线程是可以访问这个方法的，

  3. 如果一个线程A需要访问对象object1的synchronized方法fun1，另外一个线程B需要访问对象object2的synchronized方法fun1，即使object1和object2是同一类型），也不会产生线程安全问题，因为他们访问的是不同的对象，所以不存在互斥问题。

  4. 如果一个线程执行一个对象的非static synchronized方法，另外一个线程需要执行这个对象所属类的static synchronized方法，此时不会发生互斥现象，因为访问static synchronized方法占用的是类锁，而访问非static synchronized方法占用的是对象锁，所以不存在互斥现象。

  5. synchronized代码块使用起来比synchronized方法要灵活得多。因为也许一个方法中只有一部分代码只需要同步，如果此时对整个方法用synchronized进行同步，会影响程序执行效率。而使用synchronized代码块就可以避免这个问题，synchronized代码块可以实现只对需要同步的地方进行同步。

Lock

synchronized的缺陷

前面说到，当某个线程调用该对象的synchronized方法或者访问synchronized代码块时，这个线程便获得了该对象的锁，其他线程暂时无法访问这个方法，只有等待这个方法执行完毕或者代码块执行完毕，这个线程才会释放该对象的锁，其他线程才能执行这个方法或者代码块。

synchronized释放锁的情况如下：

  1. 获取锁的线程执行完了代码块，然后锁就释放了
  2. 线程执行发生异常，这时JVM会自动让线程解锁

synchronized不释放锁的情况是：如果获取锁的线程阻塞了，比如线程等待IO或者沉睡了，这时锁不会释放，其他线程便只能干巴巴地等待，试想一下，这多么影响程序执行效率。

因此就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去（比如只等待一定的时间或者能够响应中断），通过Lock就可以办到。

再举个例子：当有多个线程读写文件时，读操作和写操作会发生冲突现象，写操作和写操作会发生冲突现象，但是读操作和读操作不会发生冲突现象。但是采用synchronized关键字来实现同步的话，就会导致一个问题：如果多个线程都只是进行读操作，所以当一个线程在进行读操作时，其他线程只能等待无法进行读操作。因此就需要一种机制来使得多个线程都只是进行读操作时，线程之间不会发生冲突，通过Lock就可以办到。

另外，通过Lock可以知道线程有没有成功获取到锁。这个是synchronized无法办到的。

Lock和synchronized有一点非常大的不同，采用synchronized不需要用户去手动释放锁，当synchronized方法或者synchronized代码块执行完之后，系统会自动让线程释放对锁的占用；而Lock则必须要用户去手动释放锁，如果没有主动释放锁，就有可能导致出现死锁现象。

总结：

  • Lock可以中断线程等待锁，而synchronized不能
  • Lock可以实现并发读，而synchronized不能
  • Lock可以知道获取锁的情况，而synchronized不能
  • Lock需要手动释放锁

正式介绍Lock

public interface Lock {
    void lock();
    boolean tryLock();
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    void unlock();
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
    Condition newCondition();
}

下面说下具体方法

lock()方法是平常使用得最多的一个方法，就是用来获取锁。如果锁已被其他线程获取，则进行等待。

前面讲到如果采用Lock，必须主动去释放锁，并且在发生异常时，不会自动释放锁。因此一般来说，使用Lock必须在try{}catch{}块中进行，并且将释放锁的操作放在finally块中进行，以保证锁一定被被释放，防止死锁的发生。通常使用Lock来进行同步的话，是以下面这种形式去使用的：

Lock lock = ...;
lock.lock();
try{
    //处理任务
}catch(Exception ex){

}finally{
    lock.unlock();   //释放锁
}

tryLock()方法是有返回值的，它表示用来尝试获取锁，如果获取成功，则返回true，如果获取失败（即锁已被其他线程获取），则返回false，也就说这个方法无论如何都会立即返回。在拿不到锁时不会一直在那等待。

public class LockTest {
    Lock lock = new ReentrantLock();
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();

    public void insert(Thread thread){

        if(!lock.tryLock()){
            System.out.println(thread.getName()+"无法得到锁");
            return;
        }
        try{
            System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
            for(int i=0;i<5;i++) {
                arrayList.add(i);
            }

            for(Integer integer:arrayList){
               System.out.println(integer);   
            }

        }catch(Exception e){

        }finally{
            System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        final LockTest test = new LockTest();

        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();

        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
    }
}

最后结果

run:
Thread-0得到了锁
Thread-1无法得到锁
0
1
2
3
4
Thread-0释放了锁
成功构建 (总时间: 0 秒)

tryLock(long time, TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是类似的，只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间，在时间期限之内如果还拿不到锁，就返回false。如果如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁，则返回true，注意这段代码需要处理异常。

public class LockTest {
    Lock lock = new ReentrantLock();
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();

    public void insert(Thread thread){

        try {
            if(!lock.tryLock(1000,TimeUnit.SECONDS)){
                System.out.println(thread.getName()+"无法得到锁");
                return;
            }
        } catch (InterruptedException ex) {
            return;
        }


        try{
            System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
            for(int i=0;i<5;i++) {
                arrayList.add(i);
            }

            for(Integer integer:arrayList){
               System.out.println(integer);   
            }
            Thread.sleep(2000);
        }catch(Exception e){

        }finally{
            System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        final LockTest test = new LockTest();

        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();

        new Thread(){
            public void run() {
                test.insert(Thread.currentThread());
            };
        }.start();
    }
}

结果：

run:
Thread-0得到了锁
0
1
2
3
4
Thread-0释放了锁
Thread-1得到了锁
0
1
2
3
4
0
1
2
3
4
Thread-1释放了锁
成功构建 (总时间: 4 秒)

lockInterruptibly()方法比较特殊，当通过这个方法去获取锁时，如果线程正在等待获取锁，则这个线程能够响应中断，即中断线程的等待状态。也就使说，当两个线程同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时，假若此时线程A获取到了锁，而线程B只有在等待，那么对线程B调用threadB.interrupt()方法能够中断线程B的等待过程。

由于lockInterruptibly()的声明中抛出了异常，所以lock.lockInterruptibly()必须放在try块中或者在调用lockInterruptibly()的方法外声明抛出InterruptedException。

public class LockTest {
    Lock lock = new ReentrantLock();
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();

    public void insert(Thread thread) throws InterruptedException{
        lock.lockInterruptibly();
        try{
            System.out.println(thread.getName()+"得到了锁");
            for(int i=0;i<5;i++) {
                arrayList.add(i);
            }
            for(Integer integer:arrayList){
               System.out.println(integer);   
            }
            Thread.sleep(20000000);
        }catch(Exception e){

        }finally{
            System.out.println(thread.getName()+"释放了锁");
            lock.unlock();
        }
    }

    class MyThread extends Thread{
        private LockTest lock;
        public MyThread(LockTest lock){
            this.lock = lock;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                lock.insert(this);
            } catch (InterruptedException ex) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被中断");
            }
        }
    }

    public void test(){
        MyThread thread1 = new MyThread(this);
        MyThread thread2 = new MyThread(this);
        thread1.start();
        thread2.start();

        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        thread2.interrupt();
    }

    public static void main(String[] args) {
        final LockTest test = new LockTest();
        test.test();
    }
}

结果

Thread-0得到了锁
0
1
2
3
4
Thread-1被中断
构建已停止 (总时间: 12 秒)

需要注意的是获取到锁的线程是无法被interrupt()阻断的，只有等待锁的线程（且用的是Lock，Synchronized无此效果）才能被中断

锁的相关概念介绍

可重入锁

如果锁具备可重入性，则称作为可重入锁。举个简单的例子，当一个线程执行到某个synchronized方法时，比如说method1，而在method1中会调用另外一个synchronized方法method2，此时线程不必重新去申请锁，而是可以直接执行方法method2。

class MyClass {
    public synchronized void method1() {
        method2();
    }

    public synchronized void method2() {

    }
}

synchronized和ReentrantLock都是可重入锁

可中断锁

可中断锁：顾名思义，就是可以相应中断的锁。 synchronized就不是可中断锁，而Lock是可中断锁。

读写锁

ReadWriteLock就是读写锁，它是一个接口，ReentrantReadWriteLock实现了这个接口。

读写锁将对一个资源（比如文件）的访问分成了2个锁，一个读锁和一个写锁。

正因为有了读写锁，才使得多个线程之间的读操作不会发生冲突。

public class LockTest {
    ReentrantReadWriteLock  lock = new ReentrantReadWriteLock ();
    private ArrayList<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();

    public void insert(Thread thread) throws InterruptedException{
        lock.readLock().lock();
        try{

            for(int i=0;i<20;i++) {
                System.out.println(thread.getName()+"正在进行读操作");
            }

        }catch(Exception e){

        }finally{
            System.out.println(thread.getName()+"读写完毕");
            lock.readLock().unlock();
        }
    }

    class MyThread extends Thread{
        private LockTest lock;
        public MyThread(LockTest lock){
            this.lock = lock;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                lock.insert(this);
            } catch (InterruptedException ex) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被中断");
            }
        }
    }

    public void test(){
        MyThread thread1 = new MyThread(this);
        MyThread thread2 = new MyThread(this);
        thread1.start();
        thread2.start();


    }

    public static void main(String[] args) {
        final LockTest test = new LockTest();
        test.test();
    }
}

结果

run:
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-0正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1正在进行读操作
Thread-1读写完毕
Thread-0读写完毕
成功构建 (总时间: 0 秒)

说明两个线程同时进行读操作

需要注意的是：

  • 如果有一个线程已经占用了读锁，则此时其他线程如果要申请写锁，则申请写锁的线程会一直等待释放读锁。

  • 如果有一个线程已经占用了写锁，则此时其他线程如果申请写锁或者读锁，则申请的线程会一直等待释放写锁。

公平锁

公平锁即尽量以请求锁的顺序来获取锁。比如同是有多个线程在等待一个锁，当这个锁被释放时，等待时间最久的线程（最先请求的线程）会获得该所，这种就是公平锁。

非公平锁即无法保证锁的获取是按照请求锁的顺序进行的。这样就可能导致某个或者一些线程永远获取不到锁。

在Java中，synchronized就是非公平锁，它无法保证等待的线程获取锁的顺序。

ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock，它默认情况下是非公平锁，但是可以设置为公平锁。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

如果参数为true表示为公平锁，为fasle为非公平锁。默认情况下，如果使用无参构造器，则是非公平锁。