Java多线程之搞定最后一公里详解

Java 给多线程编程提供了内置的支持。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务，多线程是多任务的一种特别的形式，但多线程使用了更小的资源开销

绪论
一：线程安全问题
- 1.1 提出问题
- 1.2 不安全的原因
  - 1.2.1 原子性
  - 1.2.2 代码“优化”
二：如何解决线程不安全的问题
- 2.1 通过synchronized关键字
- 2.2 volatile
三：wait和notify关键字
- 3.1 wait方法
- 3.2 notify方法
- 3.3 wait和sleep对比（面试常考）
四：案例
- 4.1 饿汉模式单线程
- 4.2 懒汉模式单线程
- 4.3 懒汉模式多线程低性能版
- 4.4懒汉模式-多线程版-二次判断-性能高
总结

绪论

上期介绍了多线程的概念、优势、创建方法以及几个常用的关键字。有了之前的基础过后，我们来讨论讨论线程安全问题以及其他线程进阶知识。

一：线程安全问题

1.1 提出问题

首先，给大家看一下这个代码：

public class yy1 {
    private static class Counter {
        private long n = 0;
        public void increment() {
            n++;
        }
        public void decrement() {
            n--;
        }
        public long value() {
            return n;
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final int COUNT = 1000_0000;
        Counter counter = new Counter();
        Thread thread = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
                counter.increment();
            }
        }, "李四");
        thread.start();
        for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
            counter.decrement();
        }
        thread.join();
// 期望最终结果应该是 0
        System.out.println(counter.value());
    }
}

大家看结果：

Java多线程之搞定最后一公里详解

大家观察下是否适用多线程的现象是否一致？同时尝试思考下为什么会有这样的现象发生呢？

想给出一个线程安全的确切定义是复杂的，但我们可以这样认为：

如果多线程环境下代码运行的结果是符合我们预期的，即在单线程环境应该的结果，则说这个程序是线程安全的。

1.2 不安全的原因

1.2.1 原子性

举个简单的例子，当我i们买票的时候，如果车站剩余票数大于0，就可以买。反之，买完一张票后，车站的票数也会自动减一。假设出现这种情况，两个人同时来买票，只剩最后一张票，前面那个人把最后一张票买了，但是短时间内票数还没减一也就是清零，这时另外一个人看到还有一张票，于是提交订单，但是其实已经没有多余的票了，那么问题就来了。这时我们引入原子性：

我们把一段代码想象成一个房间，每个线程就是要进入这个房间的人。如果没有任何机制保证， A 进入房间之后，还没有出来； B 是不是也可以进入房间，打断 A 在房间里的隐私。这个就是不具备原子性的。那我们应该如何解决这个问题呢？是不是只要给房间加一把锁， A 进去就把门锁上，其他人是不是就进不来了。这样就保证了这段代码的原子性了。有时也把这个现象叫做同步互斥，表示操作是互相排斥的。不保证原子性，如果一个线程正在对一个变量操作，中途其他线程插入进来了，如果这个操作被打断了，结果就可能是错误的。

1.2.2 代码“优化”

一段代码是这样的： 1. 去前台取下 U 盘 2. 去教室写 10 分钟作业 3. 去前台取下快递如果是在单线程情况下， JVM 、 CPU 指令集会对其进行优化，比如，按 1->3->2 的方式执行，也是没问题，可以少跑一次前台。这种叫做指令重排序。刚才那个例子中，单线程情况是没问题的，优化是正确的，但在多线程场景下就有问题了，什么问题呢。可能快递是在你写作业的10 分钟内被另一个线程放过来的，或者被人变过了，如果指令重排序了，代码就会是错误的。

二：如何解决线程不安全的问题

2.1 通过synchronized关键字

synchronized 的底层是使用操作系统的 mutex lock 实现的。当线程释放锁时， JMM 会把该线程对应的工作内存中的共享变量刷新到主内存中当线程获取锁时， JMM 会把该线程对应的本地内存置为无效。从而使得被监视器保护的临界区代码必须从主内存中读取共享变量 synchronized 用的锁是存在对象头里的。 synchronized 同步快对同一条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题；同步块在已进入的线程执行完之前，会阻塞后面其他线程的进入。

锁的 SynchronizedDemo 对象

public class SynchronizedDemo {
public synchronized static void methond() {
}
public static void main(String[] args) {
method();
// 进入方法会锁 SynchronizedDemo.class 指向对象中的锁；出方法会释放
SynchronizedDemo.class 指向的对象中的锁
}
}

锁的 SynchronizedDemo 类的对象

public class SynchronizedDemo {
public synchronized static void methond() {
}
public static void main(String[] args) {
method();
// 进入方法会锁 SynchronizedDemo.class 指向对象中的锁；出方法会释放
SynchronizedDemo.class 指向的对象中的锁
}
}

明确锁的对象

public class SynchronizedDemo {
public synchronized static void methond() {
}
public static void main(String[] args) {
method();
// 进入方法会锁 SynchronizedDemo.class 指向对象中的锁；出方法会释放
SynchronizedDemo.class 指向的对象中的锁
}
}

public class SynchronizedDemo {
public void methond() {
// 进入代码块会锁 SynchronizedDemo.class 指向对象中的锁；出代码块会释放
SynchronizedDemo.class 指向的对象中的锁
synchronized (SynchronizedDemo.class) {
}
}
public static void main(String[] args) {
SynchronizedDemo demo = new SynchronizedDemo();
demo.method();
}
}

2.2 volatile

这里提一下volatile：

首先，被volatile关键字修饰的变量，编译器与运行时都会注意到这个变量是共享的，因此不会将该变量上的操作与其他内存操作一起重排序。volatile变量不会被缓存在寄存器或者对其他处理器不可见的地方，因此在读取volatile类型的变量时总会返回最新写入的值。

在访问volatile变量时不会执行加锁操作，因此也就不会使执行线程阻塞，因此volatile变量是一种比sychronized关键字更轻量级的同步机制。当对非 volatile 变量进行读写的时候，每个线程先从内存拷贝变量到CPU缓存中。如果计算机有多个CPU，每个线程可能在不同的CPU上被处理，这意味着每个线程可以拷贝到不同的 CPU cache 中。而声明变量是 volatile 的，JVM 保证了每次读变量都从内存中读，跳过 CPU cache 这一步

三：wait和notify关键字

3.1 wait方法

其实 wait() 方法就是使线程停止运行。

1. 方法 wait() 的作用是使当前执行代码的线程进行等待， wait() 方法是 Object 类的方法，该方法是用来将当前线程置入 “ 预执行队列 ” 中，并且在 wait() 所在的代码处停止执行，直到接到通知或被中断为止。

2. wait() 方法只能在同步方法中或同步块中调用。如果调用 wait() 时，没有持有适当的锁，会抛出异常。

3. wait() 方法执行后，当前线程释放锁，线程与其它线程竞争重新获取锁。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object object = new Object();
synchronized (object) {
System.out.println(" 等待中 ...");
object.wait();
System.out.println(" 等待已过 ...");
}
System.out.println("main 方法结束 ...");
}

这样在执行到 object.wait() 之后就一直等待下去，那么程序肯定不能一直这么等待下去了。这个时候就需要使用到了另外一个方法唤醒的方法 notify() 。

3.2 notify方法

notify 方法就是使停止的线程继续运行。 1. 方法 notify() 也要在同步方法或同步块中调用，该方法是用来通知那些可能等待该对象的对象锁的其它线程，对其发出通知 notify ，并使它们重新获取该对象的对象锁。如果有多个线程等待，则有线程规划器随机挑选出一个呈 wait 状态的线程。 2. 在 notify() 方法后，当前线程不会马上释放该对象锁，要等到执行 notify() 方法的线程将程序执行完，也就是退出同步代码块之后才会释放对象锁。

class MyThread implements Runnable {
    private boolean flag;
    private Object obj;
    public MyThread(boolean flag, Object obj) {
        super();
        this.flag = flag;
        this.obj = obj;
    }
    public void waitMethod() {
        synchronized (obj) {
            try {
                while (true) {
                    System.out.println("wait()方法开始.. " +
                            Thread.currentThread().getName());
                    obj.wait();
                    System.out.println("wait()方法结束.. " +
                            Thread.currentThread().getName());
                    return;
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    public void notifyMethod() {
        synchronized (obj) {
            try {
                System.out.println("notifyAll()方法开始.. " +
                        Thread.currentThread().getName());
                obj.notifyAll();
                System.out.println("notifyAll()方法结束.. " +
                        Thread.currentThread().getName());
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    @Override
    public void run() {
        if (flag) {
            this.waitMethod();
        } else {
            this.notifyMethod();
        }
    }
}
public class TestThread {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object object = new Object();
        MyThread waitThread1 = new MyThread(true, object);
        MyThread waitThread2 = new MyThread(true, object);
        MyThread waitThread3 = new MyThread(true, object);
        MyThread notifyThread = new MyThread(false, object);
        Thread thread1 = new Thread(waitThread1, "wait线程A");
        Thread thread2 = new Thread(waitThread2, "wait线程B");
        Thread thread3 = new Thread(waitThread3, "wait线程C");
        Thread thread4 = new Thread(notifyThread, "notify线程");
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
        Thread.sleep(1000);
        thread4.start();
        System.out.println("main方法结束!!");
    }
}

从结果上来看第一个线程执行的是一个 waitMethod 方法，该方法里面有个死循环并且使用了 wait 方法进入等待状态将释放锁，如果这个线程不被唤醒的话将会一直等待下去，这个时候第二个线程执行的是 notifyMethod 方法，该方法里面执行了一个唤醒线程的操作，并且一直将 notify 的同步代码块执行完毕之后才会释放锁然后继续执行 wait 结束打印语句。注意： wait ， notify 必须使用在 synchronized 同步方法或者代码块内。

3.3 wait和sleep对比（面试常考）

其实理论上 wait 和 sleep 完全是没有可比性的，因为一个是用于线程之间的通信的，一个是让线程阻塞一段时间，唯一的相同点就是都可以让线程放弃执行一段时间。用生活中的例子说的话就是婚礼时会吃糖，和家里自己吃糖之间有差别。说白了放弃线程执行只是 wait 的一小段现象。当然为了面试的目的，我们还是总结下： 1. wait 之前需要请求锁，而 wait 执行时会先释放锁，等被唤醒时再重新请求锁。这个锁是 wait 对像上的 monitor lock 2. sleep 是无视锁的存在的，即之前请求的锁不会释放，没有锁也不会请求。 3. wait 是 Object 的方法 4. sleep 是 Thread 的静态方法

四：多线程案例

4.1 饿汉模式单线程

class Singleton {
private static Singleton instance = new Singleton();
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}

4.2 懒汉模式单线程

class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}

4.3 懒汉模式多线程低性能版

class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private Singleton() {}
public synchronized static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}

4.4懒汉模式-多线程版-二次判断-性能高

class Singleton {
private static volatile Singleton instance = null;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}