Java的多线程-实现线程同步

1.    虚假的多线程

    例1：

    public class TestThread
    {
    int i=0, j=0;
    public void go(int flag){
    while(true){
    try{
    Thread.sleep(100);
    }
    catch(InterruptedException e){
    System.out.println("Interrupted");
    }
    if(flag==0)

    i++;
    System.out.println("i=" + i);
    }
    else{
    j++;
    System.out.println("j=" + j);
    }
    }
    }
    public static void main(String[] args){
    new TestThread().go(0);
    new TestThread().go(1);
    }
    }
    上面程序的运行结果为：

    i=1
    i=2
    i=3
    。。。

    结果将一直打印出I的值。我们的意图是当在while循环中调用sleep()时，另一个线程就将起动，打印出j的值，但结果却并不是这样。关于sleep()为什么不会出现我们预想的结果，在下面将讲到。

    2.    实现多线程

    通过继承classThread或实现Runnable接口，我们可以实现多线程
    2.1    通过继承classThread实现多线程

    classThread中有两个最重要的函数run()和start()。

    1)    run()函数必须进行覆写，把要在多个线程中并行处理的代码放到这个函数中。

    2)    虽然run()函数实现了多个线程的并行处理，但我们不能直接调用run()函数，而是通过调用start()函数来调用run()函数。在调用 start()的时候，start()函数会首先进行与多线程相关的初始化（这也是为什么不能直接调用run()函数的原因），然后再调用run()函数。

    例2：

    public class TestThread extends Thread{
    private static int threadCount = 0;
    private int threadNum = ++threadCount;
    private int i = 5;
    public void run(){
    while(true){
    try{
    Thread.sleep(100);
    }
    catch(InterruptedException e){
    System.out.println("Interrupted");
    }
    System.out.println("Thread " + threadNum + " = " + i);
    if(--i==0) return;
    }
    }
    public static void main(String[] args){
    for(int i=0; i<5; i++)

    new TestThread().start();
    }
    }
    运行结果为：

    Thread 1 = 5
    Thread 2 = 5
    Thread 3 = 5
    Thread 4 = 5
    Thread 5 = 5
    Thread 1 = 4
    Thread 2 = 4
    Thread 3 = 4
    Thread 4 = 4
    Thread 1 = 3
    Thread 2 = 3
    Thread 5 = 4
    Thread 3 = 3
    Thread 4 = 3
    Thread 1 = 2
    Thread 2 = 2
    Thread 5 = 3
    Thread 3 = 2
    Thread 4 = 2
    Thread 1 = 1
    Thread 2 = 1
    Thread 5 = 2
    Thread 3 = 1
    Thread 4 = 1
    Thread 5 = 1
    从结果可见，例2能实现多线程的并行处理。

    ＊＊：在上面的例子中，我们只用new产生Thread对象，并没有用reference来记录所产生的Thread对象。根据垃圾回收机制，当一个对象没有被reference引用时，它将被回收。但是垃圾回收机制对Thread对象“不成立”。因为每一个Thread都会进行注册动作，所以即使我们在产生Thread对象时没有指定一个reference指向这个对象，实际上也会在某个地方有个指向该对象的reference，所以垃圾回收器无法回收它们。

    3)    通过Thread的子类产生的线程对象是不同对象的线程

    class TestSynchronized extends Thread{
    public TestSynchronized(String name){
    super(name);
    }
    public synchronized static void prt(){
    for(int i=10; i<20; i++){
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);
    try{
    Thread.sleep(100);
    }
    catch(InterruptedException e){
    System.out.println("Interrupted");
    }
    }
    }
    public synchronized void run(){
    for(int i=0; i<3; i++){
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);
    try{
    Thread.sleep(100);
    }
    catch(InterruptedException e){
    System.out.println("Interrupted");
    }
    }
    }
    }
    public class TestThread{
    public static void main(String[] args){
    TestSynchronized t1 = new TestSynchronized("t1");
    TestSynchronized t2 = new TestSynchronized("t2");
    t1.start();
    t1.start();//（1）

    //t2.start();（2）

    }
    }
    运行结果为：

    t1 : 0
    t1 : 1
    t1 : 2
    t1 : 0
    t1 : 1
    t1 : 2
    由于是同一个对象启动的不同线程，所以run()函数实现了synchronized。如果去掉（2）的注释，把代码（1）注释掉，结果将变为：

    t1 : 0
    t2 : 0
    t1 : 1
    t2 : 1
    t1 : 2
    t2 : 2
    由于t1和t2是两个对象，所以它们所启动的线程可同时访问run()函数。

    2.2    通过实现Runnable接口实现多线程

    如果有一个类，它已继承了某个类，又想实现多线程，那就可以通过实现Runnable接口来实现。

    1)    Runnable接口只有一个run()函数。

    2)    把一个实现了Runnable接口的对象作为参数产生一个Thread对象，再调用Thread对象的start()函数就可执行并行操作。如果在产生一个Thread对象时以一个Runnable接口的实现类的对象作为参数，那么在调用start()函数时，start()会调用Runnable接口的实现类中的run()函数。

    例3.1：

    public class TestThread implements Runnable{
    private static int threadCount = 0;
    private int threadNum = ++threadCount;
    private int i = 5;
    public void run(){
    while(true){
    try{
    Thread.sleep(100);
    }
    catch(InterruptedException e){
    System.out.println("Interrupted");
    }
    System.out.println("Thread " + threadNum + " = " + i);
    if(--i==0) return;
    }
    }
    public static void main(String[] args){
    for(int i=0; i<5; i++)

    new Thread(new TestThread()).start();//（1）

    }
    }
    运行结果为：

    Thread 1 = 5
    Thread 2 = 5
    Thread 3 = 5
    Thread 4 = 5
    Thread 5 = 5
    Thread 1 = 4
    Thread 2 = 4
    Thread 3 = 4
    Thread 4 = 4
    Thread 4 = 3
    Thread 5 = 4
    Thread 1 = 3
    Thread 2 = 3
    Thread 3 = 3
    Thread 4 = 2
    Thread 5 = 3
    Thread 1 = 2
    Thread 2 = 2
    Thread 3 = 2
    Thread 4 = 1
    Thread 5 = 2
    Thread 1 = 1
    Thread 2 = 1
    Thread 3 = 1
    Thread 5 = 1
    例3是对例2的修改，它通过实现Runnable接口来实现并行处理。代码（1）处可见，要调用TestThread中的并行操作部分，要把一个TestThread对象作为参数来产生Thread对象，再调用Thread对象的start()函数。

    3)    同一个实现了Runnable接口的对象作为参数产生的所有Thread对象是同一对象下的线程。

    例3.2：

    package mypackage1;
    public class TestThread implements Runnable{
    public synchronized void run(){
    for(int i=0; i<5; i++){
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);
    try{
    Thread.sleep(100);
    }
    catch(InterruptedException e){
    System.out.println("Interrupted");
    }
    }
    }
    public static void main(String[] args){
    TestThread testThread = new TestThread();
    for(int i=0; i<5; i++)

    //new Thread(testThread, "t" + i).start();（1）

    new Thread(new TestThread(), "t" + i).start();（2）

    }
    }
    运行结果为：

    t0 : 0
    t1 : 0
    t2 : 0
    t3 : 0
    t4 : 0
    t0 : 1
    t1 : 1
    t2 : 1
    t3 : 1
    t4 : 1
    t0 : 2
    t1 : 2
    t2 : 2
    t3 : 2
    t4 : 2
    t0 : 3
    t1 : 3
    t2 : 3
    t3 : 3
    t4 : 3
    t0 : 4
    t1 : 4
    t2 : 4
    t3 : 4
    t4 : 4
    由于代码（2）每次都是用一个新的TestThread对象来产生Thread对象的，所以产生出来的Thread对象是不同对象的线程，所以所有Thread对象都可同时访问run()函数。如果注释掉代码（2），并去掉代码（1）的注释，结果为：

    t0 : 0
    t0 : 1
    t0 : 2
    t0 : 3
    t0 : 4
    t1 : 0
    t1 : 1
    t1 : 2
    t1 : 3
    t1 : 4
    t2 : 0
    t2 : 1
    t2 : 2
    t2 : 3
    t2 : 4
    t3 : 0
    t3 : 1
    t3 : 2
    t3 : 3
    t3 : 4
    t4 : 0
    t4 : 1
    t4 : 2
    t4 : 3
    t4 : 4
    由于代码（1）中每次都是用同一个TestThread对象来产生Thread对象的，所以产生出来的Thread对象是同一个对象的线程，所以实现run()函数的同步。

    二．    共享资源的同步

    1.    同步的必要性

    例4：

    class Seq{
    private static int number = 0;
    private static Seq seq = new Seq();
    private Seq() {}
    public static Seq getInstance(){
    return seq;
    }
    public int get(){
    number++; //（a）

    return number;//（b）

    }
    }
    public class TestThread{
    public static void main(String[] args){
    Seq.getInstance().get();//（1）

    Seq.getInstance().get();//（2）

    }
    }
    上面是一个取得序列号的单例模式的例子，但调用get()时，可能会产生两个相同的序列号：

    当代码（1）和（2）都试图调用get()取得一个唯一的序列。当代码（1）执行完代码（a），正要执行代码（b）时，它被中断了并开始执行代码（2）。一旦当代码（2）执行完（a）而代码（1）还未执行代码（b），那么代码（1）和代码（2）就将得到相同的值。

    2.    通过synchronized实现资源同步

    2.1    锁标志

    2.1.1    每个对象都有一个标志锁。当对象的一个线程访问了对象的某个synchronized数据（包括函数）时，这个对象就将被“上锁”，所以被声明为 synchronized的数据（包括函数）都不能被调用（因为当前线程取走了对象的“锁标志”）。只有当前线程访问完它要访问的 synchronized数据，释放“锁标志”后，同一个对象的其它线程才能访问synchronized数据。

    2.1.2    每个class也有一个“锁标志”。对于synchronized static数据（包括函数）可以在整个class下进行锁定，避免static数据的同时访问。

    例5：

    class Seq{
    private static int number = 0;
    private static Seq seq = new Seq();
    private Seq() {}
    public static Seq getInstance(){
    return seq;
    }
    public synchronized int get(){ //（1）

    number++;
    return number;
    }
    }
    例5在例4的基础上，把get()函数声明为synchronized，那么在同一个对象中，就只能有一个线程调用get()函数，所以每个线程取得的number值就是唯一的了。

    例6：

    class Seq{
    private static int number = 0;
    private static Seq seq = null;
    private Seq() {}
    synchronized public static Seq getInstance(){ //（1）

    if(seq==null)    seq = new Seq();
    return seq;
    }
    public synchronized int get(){
    number++;
    return number;
    }
    }
    例6把getInstance()函数声明为synchronized，那样就保证通过getInstance()得到的是同一个seq对象。

    2.2    non-static的synchronized数据只能在同一个对象的纯种实现同步访问，不同对象的线程仍可同时访问。

    例7：

    class TestSynchronized implements Runnable{
    public synchronized void run(){//（1）

    for(int i=0; i<10; i++){
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);
    /*（2）*/
    try{
    Thread.sleep(100);
    }
    catch(InterruptedException e){
    System.out.println("Interrupted");
    }
    }
    }
    }
    public class TestThread{
    public static void main(String[] args){
    TestSynchronized r1 = new TestSynchronized();
    TestSynchronized r2 = new TestSynchronized();
    Thread t1 = new Thread(r1, "t1");
    Thread t2 = new Thread(r2, "t2");//(3)

    //Thread t2 = new Thread(r1, "t2");（4）

    t1.start();
    t2.start();
    }
    }
    运行结果为：

    t1 : 0
    t2 : 0
    t1 : 1
    t2 : 1
    t1 : 2
    t2 : 2
    t1 : 3
    t2 : 3
    t1 : 4
    t2 : 4
    t1 : 5
    t2 : 5
    t1 : 6
    t2 : 6
    t1 : 7
    t2 : 7
    t1 : 8
    t2 : 8
    t1 : 9
    t2 : 9
    虽然我们在代码（1）中把run()函数声明为synchronized，但由于t1、t2是两个对象（r1、r2）的线程，而run()函数是non- static的synchronized数据，所以仍可被同时访问（代码（2）中的sleep()函数由于在暂停时不会释放“标志锁”，因为线程中的循环很难被中断去执行另一个线程，所以代码（2）只是为了显示结果）。

    如果把例7中的代码（3）注释掉，并去年代码（4）的注释，运行结果将为：

    t1 : 0
    t1 : 1
    t1 : 2
    t1 : 3
    t1 : 4
    t1 : 5
    t1 : 6
    t1 : 7
    t1 : 8
    t1 : 9
    t2 : 0
    t2 : 1
    t2 : 2
    t2 : 3
    t2 : 4
    t2 : 5
    t2 : 6
    t2 : 7
    t2 : 8
    t2 : 9
    修改后的t1、t2是同一个对象（r1）的线程，所以只有当一个线程（t1或t2中的一个）执行run()函数，另一个线程才能执行。

    2.3    对象的“锁标志”和class的“锁标志”是相互独立的。

    例8：

    class TestSynchronized extends Thread{
    public TestSynchronized(String name){
    super(name);
    }
    public synchronized static void prt(){
    for(int i=10; i<20; i++){
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);
    try{
    Thread.sleep(100);
    }
    catch(InterruptedException e){
    System.out.println("Interrupted");
    }
    }
    }
    public synchronized void run(){
    for(int i=0; i<10; i++){
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i);
    try{
    Thread.sleep(100);
    }
    catch(InterruptedException e){
    System.out.println("Interrupted");
    }
    }
    }
    }
    public class TestThread{
    public static void main(String[] args){
    TestSynchronized t1 = new TestSynchronized("t1");
    TestSynchronized t2 = new TestSynchronized("t2");
    t1.start();
    t1.prt();//（1）

    t2.prt();//（2）

    }
    }
    运行结果为：

    main : 10
    t1 : 0
    main : 11
    t1 : 1
    main : 12
    t1 : 2
    main : 13
    t1 : 3
    main : 14
    t1 : 4
    main : 15
    t1 : 5
    main : 16
    t1 : 6
    main : 17
    t1 : 7
    main : 18
    t1 : 8
    main : 19
    t1 : 9
    main : 10
    main : 11
    main : 12
    main : 13
    main : 14
    main : 15
    main : 16
    main : 17
    main : 18
    main : 19
    在代码（1）中，虽然是通过对象t1来调用prt()函数的，但由于prt()是静态的，所以调用它时不用经过任何对象，它所属的线程为main线程。

    由于调用run()函数取走的是对象锁，而调用prt()函数取走的是class锁，所以同一个线程t1（由上面可知实际上是不同线程）调用run()函数且还没完成run()函数时，它就能调用prt()函数。但prt()函数只能被一个线程调用，如代码（1）和代码（2），即使是两个不同的对象也不能同时调用prt()。

    3.    同步的优化

    1)    synchronizedblock

    语法为：synchronized(reference){ do this }
    reference用来指定“以某个对象的锁标志”对“大括号内的代码”实施同步控制。

    例9：

    class TestSynchronized implements Runnable{
    static int j = 0;
    public synchronized void run(){
    for(int i=0; i<5; i++){
    //（1）

    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + j++);
    try{
    Thread.sleep(100);
    }
    catch(InterruptedException e){
    System.out.println("Interrupted");
    }
    }
    }
    }
    public class TestThread{
    public static void main(String[] args){
    TestSynchronized r1 = new TestSynchronized();
    TestSynchronized r2 = new TestSynchronized();
    Thread t1 = new Thread(r1, "t1");
    Thread t2 = new Thread(r1, "t2");
    t1.start();
    t2.start();
    }
    }
    运行结果为：

    t1 : 0
    t1 : 1
    t1 : 2
    t1 : 3
    t1 : 4
    t2 : 5
    t2 : 6
    t2 : 7
    t2 : 8
    t2 : 9
    上面的代码的run()函数实现了同步，使每次打印出来的j总是不相同的。但实际上在整个run()函数中，我们只关心j的同步，而其余代码同步与否我们是不关心的，所以可以对它进行以下修改：

    class TestSynchronized implements Runnable{
    static int j = 0;
    public void run(){
    for(int i=0; i<5; i++){
    //（1）

    synchronized(this){
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + j++);
    }
    try{
    Thread.sleep(100);
    }
    catch(InterruptedException e){
    System.out.println("Interrupted");
    }
    }
    }
    }
    public class TestThread{
    public static void main(String[] args){
    TestSynchronized r1 = new TestSynchronized();
    TestSynchronized r2 = new TestSynchronized();
    Thread t1 = new Thread(r1, "t1");
    Thread t2 = new Thread(r1, "t2");
    t1.start();
    t2.start();
    }
    }
    运行结果为：

    t1 : 0
    t2 : 1
    t1 : 2
    t2 : 3
    t1 : 4
    t2 : 5
    t1 : 6
    t2 : 7
    t1 : 8
    t2 : 9
    由于进行同步的范围缩小了，所以程序的效率将提高。同时，代码（1）指出，当对大括号内的println()语句进行同步控制时，会取走当前对象的“锁标志”，即对当前对象“上锁”，不让当前对象下的其它线程执行当前对象的其它synchronized数据。