java多线程并发（一）——Semaphore，volatile，synchronized ，Lock

2023年1月28日 150次阅读来源: 小码哥_WS

在并发编程中，我们通常会遇到以下三个问题：原子性问题，可见性问题，有序性问题。我们先看具体看一下这三个概念：

1.原子性

原子性：即一个操作或者多个操作要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

一个很经典的例子就是银行账户转账问题
2.可见性

可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

3.有序性

有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

Semaphore

简介
信号量(Semaphore)，有时被称为信号灯，是在多线程环境下使用的一种设施, 它负责协调各个线程, 以保证它们能够正确、合理的使用公共资源。

一个计数信号量。从概念上讲，信号量维护了一个许可集。如有必要，在许可可用前会阻塞每一个 acquire()，然后再获取该许可。每个
release() 添加一个许可，从而可能释放一个正在阻塞的获取者。但是，不使用实际的许可对象，Semaphore
只对可用许可的号码进行计数，并采取相应的行动。拿到信号量的线程可以进入代码，否则就等待。通过acquire()和release()获取和释放访问许可。

概念
Semaphore分为单值和多值两种，前者只能被一个线程获得，后者可以被若干个线程获得。

以一个停车场运作为例。为了简单起见，假设停车场只有三个车位，一开始三个车位都是空的。这时如果同时来了五辆车，看门人允许其中三辆不受阻碍的进入，然后放下车拦，剩下的车则必须在入口等待，此后来的车也都不得不在入口处等待。这时，有一辆车离开停车场，看门人得知后，打开车拦，放入一辆，如果又离开两辆，则又可以放入两辆，如此往复。

在这个停车场系统中，车位是公共资源，每辆车好比一个线程，看门人起的就是信号量的作用。
代码示例：

public class BeautySeekBarView extends View {

 private Semaphore sePoolTH=new Semaphore(0);//信号量，解决并发问题

@Override
 protected void onDraw(Canvas canvas) {
 // TODO Auto-generated method stub
 super.onDraw(canvas);

 float PointX = 0;
 float PointY=getHeight()/2; 
 canvas.drawLine(0+getPaddingLeft(),PointY, getWidth()-

 //当绘制完成后释放信号，可以后续操作了
 sePoolTH.release();

//设置默认位置
 public void setPointLocation(final int location){
 new Thread(new Runnable() {

 @Override
 public void run() { 
 try {
 //等待信号，直到收到上面释放的信号了，开始进行一下逻辑
 sePoolTH.acquire();
 } catch (InterruptedException e) {
 // TODO Auto-generated catch block
 e.printStackTrace();
 } 
 if(location>0&&pointList!=null&& !pointList.isEmpty()){
 bitmapPointX=pointList.get(location-1);
 postInvalidate();
 }

 }
 }).start();

 }

volatile

1.volatile关键字的两层语义

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了一下语义：

1。保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。

2。禁止进行指令重排序。
　　3. 使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；

在 Java 垃圾回收整理一文中，描述了jvm运行时刻内存的分配。其中有一个内存区域是jvm虚拟机栈，每一个线程运行时都有一个线程栈，线程栈保存了线程运行时候变量值信息。当线程访问某一个对象时候值的时候，首先通过对象的引用找到对应在堆内存的变量的值，然后把堆内存变量的具体值load到线程本地内存中，建立一个变量副本，之后线程就不再和对象在堆内存变量值有任何关系，而是直接修改副本变量的值，在修改完之后的某一个时刻（线程退出之前），自动把线程变量副本的值回写到对象在堆中变量。这样在堆中的对象的值就产生变化了。

对于volatile修饰的变量，jvm虚拟机只是保证从主内存加载到线程工作内存的值是最新的

例如假如线程1，线程2 在进行read,load 操作中，发现主内存中count的值都是5，那么都会加载这个最新的值

在线程1堆count进行修改之后，会write到主内存中，主内存中的count变量就会变为6

线程2由于已经进行read,load操作，在进行运算之后，也会更新主内存count的变量值为6

导致两个线程及时用volatile关键字修改之后，还是会存在并发的情况。

通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：

1）对变量的写操作不依赖于当前值

2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

synchronized

同步的实现当然是采用锁了，java中使用锁的两个基本工具是 synchronized 和 Lock。

一直很喜欢synchronized，因为使用它很方便。比如，需要对一个方法进行同步，那么只需在方法的签名添加一个synchronized关键字。

// 未同步的方法
public void test() {}
// 同步的方法
pubilc synchronized void test() {}

synchronized 也可以用在一个代码块上，看

public void test() {
 synchronized(obj) {
 System.out.println("===");
 }
}

synchronized 用在方法和代码块上有什么区别呢？

synchronized
用在方法签名上（以test为例），当某个线程调用此方法时，会获取该实例的对象锁，方法未结束之前，其他线程只能去等待。当这个方法执行完时，才会释放对象锁。其他线程才有机会去抢占这把锁，去执行方法test,但是发生这一切的基础应当是所有线程使用的同一个对象实例，才能实现互斥的现象。否则synchronized关键字将失去意义。

（但是如果该方法为类方法，即其修饰符为static，那么synchronized 意味着某个调用此方法的线程当前会拥有该类的锁，只要该线程持续在当前方法内运行，其他线程依然无法获得方法的使用权！）

synchronized 用在代码块的使用方式：synchronized(obj){//todo code here}

当线程运行到该代码块内，就会拥有obj对象的对象锁，如果多个线程共享同一个Object对象，那么此时就会形成互斥！特别的，当obj == this时，表示当前调用该方法的实例对象。即

public void test() {
…
synchronized(this) {
// todo your code
}
…
}

此时，其效果等同于

public synchronized void test() {
// todo your code
}

使用synchronized代码块，可以只对需要同步的代码进行同步，这样可以大大的提高效率。

小结：
使用synchronized 代码块相比方法有两点优势：
1、可以只对需要同步的使用
2、与wait()/notify()/nitifyAll()一起使用时，比较方便

wait() 与notify()/notifyAll()

这三个方法都是Object的方法，并不是线程的方法！
wait():释放占有的对象锁，线程进入等待池，释放cpu,而其他正在等待的线程即可抢占此锁，获得锁的线程即可运行程序。而sleep()不同的是，线程调用此方法后，会休眠一段时间，休眠期间，会暂时释放cpu，但并不释放对象锁。也就是说，在休眠期间，其他线程依然无法进入此代码内部。休眠结束，线程重新获得cpu,执行代码。wait()和sleep()最大的不同在于wait()会释放对象锁，而sleep()不会！

notify():
该方法会唤醒因为调用对象的wait()而等待的线程，其实就是对对象锁的唤醒，从而使得wait()的线程可以有机会获取对象锁。调用notify()后，并不会立即释放锁，而是继续执行当前代码，直到synchronized中的代码全部执行完毕，才会释放对象锁。JVM则会在等待的线程中调度一个线程去获得对象锁，执行代码。需要注意的是，wait()和notify()必须在synchronized代码块中调用。

notifyAll()则是唤醒所有等待的线程。

为了说明这一点，举例如下：
两个线程依次打印”A”“B”,总共打印10次。

public class Consumer implements Runnable {

 @Override
 public synchronized void run() {
 // TODO Auto-generated method stub
 int count = 10;
 while(count > 0) {
 synchronized (Test. obj) {

 System. out.print( "B");
 count --;
 Test. obj.notify(); // 主动释放对象锁

 try {
 Test. obj.wait();

 } catch (InterruptedException e) {
 // TODO Auto-generated catch block
 e.printStackTrace();
 }
 }

 }
 }
}

public class Produce implements Runnable {

 @Override
 public void run() {
 // TODO Auto-generated method stub
 int count = 10;
 while(count > 0) {
 synchronized (Test. obj) {

 //System.out.print("count = " + count);
 System. out.print( "A");
 count --;
 Test. obj.notify();

 try {
 Test. obj.wait();
 } catch (InterruptedException e) {
 // TODO Auto-generated catch block
 e.printStackTrace();
 }
 }

 }

 }

}

测试类如下：

public class Test {

 public static final Object obj = new Object();

 public static void main(String[] args) {

 new Thread( new Produce()).start();
 new Thread( new Consumer()).start();

 }
}

这里使用static
obj作为锁的对象，当线程Produce启动时（假如Produce首先获得锁，则Consumer会等待），打印“A”后，会先主动释放锁，然后阻塞自己。Consumer获得对象锁，打印“B”，然后释放锁，阻塞自己，那么Produce又会获得锁，然后…一直循环下去，直到count
= 0.这样，使用Synchronized和wait()以及notify()就可以达到线程同步的目的。

除了wait()和notify()协作完成线程同步之外，使用Lock也可以完成同样的目的。

ReentrantLock 与synchronized有相同的并发性和内存语义，还包含了中断锁等候和定时锁等候，意味着线程A如果先获得了对象obj的锁，那么线程B可以在等待指定时间内依然无法获取锁，那么就会自动放弃该锁。

但是由于synchronized是在JVM层面实现的，因此系统可以监控锁的释放与否，而ReentrantLock使用代码实现的，系统无法自动释放锁，需要在代码中finally子句中显式释放锁lock.unlock();

同样的例子，使用lock 如何实现呢？

lock

public class Consumer implements Runnable {

 private Lock lock;
 public Consumer(Lock lock) {
 this. lock = lock;
 }
 @Override
 public void run() {
 // TODO Auto-generated method stub
 int count = 10;
 while( count > 0 ) {
 try {
 lock.lock();
 count --;
 System. out.print( "B");
 } finally {
 lock.unlock(); //主动释放锁
 try {
 Thread. sleep(91L);
 } catch (InterruptedException e) {
 // TODO Auto-generated catch block
 e.printStackTrace();
 }
 }
 }

 }

}

public class Producer implements Runnable{

 private Lock lock;
 public Producer(Lock lock) {
 this. lock = lock;
 }
 @Override
 public void run() {
 // TODO Auto-generated method stub
 int count = 10;
 while (count > 0) {
 try {
 lock.lock();
 count --;
 System. out.print( "A");
 } finally {
 lock.unlock();
 try {
 Thread. sleep(90L);
 } catch (InterruptedException e) {
 // TODO Auto-generated catch block
 e.printStackTrace();
 }
 }
 }
 }
}

调用代码：

public class Test {

 public static void main(String[] args) {
 Lock lock = new ReentrantLock();

 Consumer consumer = new Consumer(lock);
 Producer producer = new Producer(lock);

 new Thread(consumer).start();
 new Thread( producer).start();

 }
}

使用建议：

在并发量比较小的情况下，使用synchronized是个不错的选择，但是在并发量比较高的情况下，其性能下降很严重，此时ReentrantLock是个不错的方案。

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    原文作者：小码哥_WS
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