解决线程安全问题&&单例模式

目录

1.解决线程安全问题

1.1 synchronized 关键字（解决了多线程原子性问题）

        1.1.1 synchronized 使用示例

        1.1.2 Java 标准库中的线程安全类

1.2 volatile 关键字（volatile 能保证内存可见性 ）

1.3 wait 和 notify 

2.多线程案例

 2.1 单例模式

        2.1.1 饿汉模式

        2.1.2 懒汉模式 - 单线程版

        2.1.3 懒汉模式 - 多线程版

1.解决线程安全问题

1.1 synchronized 关键字（解决了多线程原子性问题）

• 进入 synchronized 修饰的代码块 , 相当于 加锁
• 退出 synchronized 修饰的代码块 , 相当于 解锁

class Counter {
    //保存计数的变量
    public int count;
    synchronized public void increase() {
        count++;
    }
}
public class TestDemo1 {
    public static Counter counter = new Counter();
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 5_0000; i++) {
                counter.increase();
            }
        });
        t1.start();
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 5_0000; i++) {
                counter.increase();
            }
        });
        t2.start();
        //main 等待 t1,t2
        try {
            t1.join();
            t2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count: " + counter.count);
    }
}

class Counter {
    //保存计数的变量
    public int count;
    synchronized public void increase() {
        count++;
    }
}
public class TestDemo1 {
    public static Counter counter1 = new Counter();
    public static Counter counter2 = new Counter();
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 5_0000; i++) {
                counter1.increase();
            }
        });
        t1.start();
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 5_0000; i++) {
                counter1.increase();
            }
        });
        t2.start();
        Thread t3 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 5_0000; i++) {
                counter2.increase();
            }
        });
        t3.start();
        try {
            t3.join();
            t1.join();
            t2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count: " + counter1.count);
        System.out.println("count: " + counter2.count);
    }
}

首先，要理解加锁是针对具体的对象进行加锁的！对比上一个代码，上一个代码锁上了 Counter 对象，然后两个线程同时获取同一个对象的锁，所以需要阻塞等待，那么运行结果肯定是 10w 次，而这个地方，我重新 new 了一个对象，并且这里三个线程，线程1 和 线程2 是获取同一个对象的锁，所以 线程2 需要等待 线程1，所以  counter1.count   的结果一定是 10w，而 线程3 获取的是另一个对象的锁，与 线程1 和 线程2 不属于竞争关系，所以不需要阻塞等待，所以 counter2.count  的结果一定是 5w 。结合下图加强理解！！

 结合前面的代码，counter1 就对应 1 号坑位，counter2 就对应 2 号坑位。线程1 和 线程2 获取同一个对象的锁，也就是竞争同一个坑位，那么需要阻塞等待，而 坑位2 是没有人的，所以 线程3 不需要阻塞等待，与前面俩线程不存在竞争关系！！

class Counter {
    //保存计数的变量
    public static int count;
    synchronized public static void increase() {
        count++;
    }
}
public class TestDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 5_0000; i++) {
                Counter.increase();
            }
        });
        t1.start();
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 5_0000; i++) {
                Counter.increase();
            }
        });
        t2.start();
        try {
            t1.join();
            t2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count: " + Counter.count);
    }
}

class Counter {
    //保存计数的变量
    public int count;
    public void increase() {
        synchronized(this) {
            count++;
        }
    }
}
public class TestDemo1 {
    public static Counter counter1 = new Counter();
    public static Counter counter2 = new Counter();
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 5_0000; i++) {
                counter1.increase();
            }
        });
        t1.start();
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < 5_0000; i++) {
                counter2.increase();
            }
        });
        t2.start();
        try {
            t1.join();
            t2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count: " + counter1.count);
        System.out.println("count: " + counter1.count);
    }
}

此处的 this 指的就是当前对象，counter1 调用 increase()，锁得就是 counter1 对象，counter2 调用 increase() 方法，锁得就是 counter2 对象！！所以结果是各自 5w。

🍃以上写法 1，3 可视为等价的，当然写法2，也有另一种写法：

class Counter {
    public void method() {
        synchronized (Counter.class) {
       }
   }
}

🍁【总结】

在 Java 里，任何一个对象，都可以用来作为锁对象。synchronized 的三种用法，无论是使用哪种用法，都要明确锁对象，只有当两个线程针对同一个对象加锁的时候，才会发生竞争；如果是两个线程针对不同对象加锁，则没有竞争！！

每个对象，内存空间中有一个特殊的区域--对象头（JVM 自带的，里面包含对象的一些特殊信息）

1.1.2 Java 标准库中的线程安全类

🍁【不安全的】

ArrayList / LinkedList / HashMap / TreeMap / HashSet / TreeSet / StringBuilder

🍁【安全的】 

Vector ( 不推荐使用 ) / HashTable (不推荐使用 ) / ConcurrentHashMap / StringBuffer

前两个线程安全的类，不推荐使用，是因为，它里面的所有重要的方法都无脑的加锁了，加锁也是有代价的，因为涉及到了一些线程的阻塞等待和线程调度，可以视为一旦使用了锁，我们的代码基本上就和"高性能"说再见了！！

另外，还有的虽然没有加锁, 但是不涉及 "修改", 仍然是线程安全的 ：String。

1.2 volatile 关键字（volatile 能保证内存可见性 ）

🍁【代码示例】

我想让 线程2 输入一个非0的数，使 线程1 结束：

public class TestDemo2 {
    static class Counter {
        // volatile public int flag = 0; //加上 volatile 就不会出问题
        public int flag = 0;
    }
    public static void main(String[] args) {
        Counter counter = new Counter();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while(counter.flag == 0) {
                //执行循环，啥也不做！
            }
            System.out.println("t1 结束");
        });
        t1.start();
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            //让用户输入一个数字，赋值给 flag
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            System.out.println("请输入一个整数: ");
            counter.flag = scanner.nextInt();
        });
        t2.start();
    }
}

这段代码如果不做任何处理，最终我们输入一个非0的数，循环也不会退出，线程1 始终不会结束，原因就是内存可见性问题(上篇博客有详细讲解)，线程1 的循环就相当于一直在执行 LOAD，TEST 指令，由于编译器/JVM的优化，导致了 LOAD 的重复操作都被省略，只执行一次，导致线程2 的修改最新数据没有被 线程1 及时获取，所以出现这样的问题。解决这个问题，就需要使用 volatile 关键字！！

🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂🍂

volatile 操作相当于显示的禁止了编译器进行上述优化，是给这个对应的变量加上了"内存屏障"（特殊的二进制指令)，JVM 在读取这个变量的时候，因为内存屏障的存在，就知道每次都要重新读取内存的内容，而不是进行草率的优化。

---频繁读内存，速度是慢了，但是数据算对了！！

上述代码，不使用 volitile ，也可以解决，我们在循环里让 线程1 sleep 一下：

public class TestDemo2 {
    static class Counter {
        public int flag = 0;
    }
    public static void main(String[] args) {
        Counter counter = new Counter();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while(counter.flag == 0) {
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println("t1 结束");
        });
        t1.start();
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            //让用户输入一个数字，赋值给 flag
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            System.out.println("请输入一个整数: ");
            counter.flag = scanner.nextInt();
        });
        t2.start();
    }
}

解释：编译器的优化，是根据代码的实际情况来进行的。上个版本里循环体是空，所以循环转速极快！！导致了读内存操作非常频繁，所以就触发了优化！！（读内存操作比操作寄存器的速度慢上几千上万倍）

这个版本里加了 sleep ，让循环转速一下就慢了！！读内存操作就不怎么频繁了，就不会触发优化了！！

上述两种方法都可以在一定的情况下解决内存可见性问题，对于方法二（sleep），由于咱们也不好确定什么时候会触发优化，必要的时候最好也加上 volatile！！

🍁【解决线程安全总结】

🍃1.synchronized：解决了原子性问题。至于它能不能解决内存可见性问题，网上各有各的说法，不确定！！

🍃2.volatile：禁止了指令重排序，也解决了内存可见性问题，不保证原子性！！

1.3 wait 和 notify 

wait() 方法和 notify() 搭配使用也是解决多线程安全问题的方法之一，这两个方法是 Object 类里面的方法。

wait() 方法有三个步骤：

🍃1.释放锁；

🍃2.等待通知；

🍃3.当通知到达之后，尝试重新获取锁。

notify() 方法只有一步：

🍃1.进行通知。

【注意】

因为 wait() 方法第一步是释放锁，所以它的前提是获取锁，所以 wait() 方法需要在synchronized 里面使用，并且调用 wait() 方法的对象和 synchronized 里使用的锁对象是一个对象，还得和调用 notify() 方法的对象是一个对象。

1.3.1 wait() 方法 

如果 wait() 方法不放在 synchronized 里面使用，就会抛一个非法监视状态异常，以后在写代码的时候遇到了就知道错在哪了。

🍁【wait() 错误示例】

public class TestDemo1 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object object = new Object();
        System.out.println("wait 之前");
        object.wait();
        System.out.println("wait 之后");
    }
}

 🍁【wait() 正确用法】

public class TestDemo1 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object object = new Object();
        synchronized (object) {
            System.out.println("wait 之前");
            object.wait();
            System.out.println("wait 之后");
        }
    }
}

当然，wait 方法还有一个带参数的版本--wait(long timeout)，不加参数就是死等，加了参数之后，就是等待最大时间后自动唤醒！！

1.3.2 notify() 和 wait() 搭配使用示例

public class TestDemo1 {
    public static Object locker = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //处于等待的线程
        Thread waitTask = new Thread(() -> {
            synchronized (locker) {
                try {
                    System.out.println("wait 开始");
                    locker.wait();
                    System.out.println("wait 结束");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        waitTask.start();
        //负责通知的线程
        Thread notifyTask = new Thread(() -> {
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            System.out.println("输入任何内容，开始通知: ");
            scanner.next();//next() : 阻塞作用，用 sleep 也可以
            synchronized (locker) {
                System.out.println("notify 开始");
                locker.notify();
                System.out.println("notify 结束");
            }
        });
        notifyTask.start();
    }
}public class TestDemo1 {
    public static Object locker = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //处于等待的线程
        Thread waitTask = new Thread(() -> {
            synchronized (locker) {
                try {
                    System.out.println("wait 开始");
                    locker.wait();
                    System.out.println("wait 结束");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        waitTask.start();
        //负责通知的线程
        Thread notifyTask = new Thread(() -> {
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            System.out.println("输入任何内容，开始通知: ");
            scanner.next();//next() : 阻塞作用，用 sleep 也可以
            synchronized (locker) {
                System.out.println("notify 开始");
                locker.notify();
                System.out.println("notify 结束");
            }
        });
        notifyTask.start();
    }
}

🍁【运行结果】

程序运行时，显示 wait 开始，开始通知：然后等待输入。从运行结果来看，我输入11之后，是先把 notify 开始，notify 结束 打印完之后，才打印 wait 结束，这是为什么？？

🍁【分析】

线程1 执行到 wait() 方法就阻塞等待了，前面说了 wait() 方法第一步是释放锁，释放锁之后，所以线程2 才能拿到锁，拿到锁之后，通知 线程1 ，但是此时 线程2 还在占用锁，所以 线程2 继续往下执行，等到打印 notify 结束后，释放锁，才轮到 线程1 获取锁，继续向下执行！！

说了那么多，那么 wait() 和 notify() 怎么就可以解决线程安全呢？？（不着急）

🍁【举个例子】

例如有两个线程：（先对 wait 和 notify 解决线程安全有个基本认识）

线程1 需要先计算一个结果，线程2 来使用这个结果，这个时候就 线程2 就可以 wait()，等到线程1 计算完结果后，notify() ，唤醒 线程2，就解决了并发执行等问题带来的线程安全！！

1.3.3 wait() 和 notify() 机制能有效避免"线程饿死"

什么叫线程饿死？？

🍁【举个例子】

上述情况就可以通过 wait 和 notify 来解决，由于前三个滑稽老哥的任务执行不了，他们拿到锁之后就可以先判断一下，当前任务是否可以执行，如果能就执行，如果不能就 wait ，wait 等到合适的时机（工作人员来了）再继续执行/再继续参与竞争锁！！这样滑稽老哥 D 也就有机会进去取钱了，就不会出现线程饿死了！！

1.3.4 notifyAll() 

notify 是唤醒一个线程，而 notifyAll 则是唤醒多个线程，然后这多个线程再一起竞争锁！！

🍁【区别】

 1.3.5 wait 和 sleep 的对比【面试问题】

【相同点】

🍃1.都会让线程进入阻塞。

【不同点】

🍃1.阻塞的原因和目的不同；（sleep 目的是为了"放权"，暂时让出当前 CPU 的使用权，wait 既可以死等，也可以指定等待时间，涵盖了 sleep 的功能，相较于 sleep 来说，使用的更广泛！！）

🍃2.进入的状态也不同；（wait 进入 WAITING 状态，sleep 进入 TIMED_WAITING 状态）

🍃3.被唤醒的条件也不同。

2.多线程案例

 2.1 单例模式

单例模式是一种常见的设计模式！！有些对象，在一个程序中只有唯一一个实例，就可以使用单例模式。在单例模式下，对象的实例化被限制了，只能创建一个，多了也创建不了！！单例的具体实现方式，分为"饿汉"和"懒汉"两种！！

2.1.1 饿汉模式

饿汉模式：程序启动，则立即创建实例！！

🍁【代码示例】

class Singleton {
    //程序启动，则立即创建实例
    private static Singleton instance = new Singleton();
 
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
    //构造方法设为私有，其他类想来 new 就不行了！！
    private Singleton() { };
}
public class TestDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();
        Singleton singleton2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(singleton1 == singleton2);//true
        //  Error :   Singleton singleton = new Singleton();
    }
}

🍃1.饿汉模式中，其他方法不能通过构造方法来 new 实例了，统一基于 getInstance 方法来获取！！

🍃2.使用静态成员表示实例（唯一性） + 让构造方法设为私有（堵住了 new 创建新实例的口子）！！

2.1.2 懒汉模式 - 单线程版

class SingletonLazy {
    private static SingletonLazy instance = null;
    //需要用的时候才实例
    public static SingletonLazy getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new SingletonLazy();
        }
        return instance;
    }
    //构造方法设为私有
    private SingletonLazy() { };
}

🍃1.懒汉模式单线程版中，没有立即创建实例，首次调用 getInstance 才会创建实例！！

🍃2.和饿汉模式一样也是保证实例的唯一性！！

🍁【思考与问题1】

上述两个单例模式的代码，在多线程环境下，调用 getInstance ，是线程安全的吗？？

🍃1.对于饿汉模式来说，多线程调用 getInstance ，只涉及了多线程读，所以不会引发线程安全问题！！

🍃2.对于懒汉模式来说，多线程调用 getInstance，有的地方在读，有的地方在写，所以容易引发线程安全问题！！但是一旦实例创建好了之后，后续的 if 条件就不去了，就不会引发线程安全问题了。

如何解决懒汉模式在多线程中的线程安全问题？？

2.1.3 懒汉模式 - 多线程版

对于懒汉模式在多线程中的安全问题，我们的解决办法就是加锁！！

🍁【代码示例】

class SingletonLazy {
    private static SingletonLazy instance = null;
    //需要用的时候才实例
    public static SingletonLazy getInstance() {
        synchronized (instance) {
            //把读和写打包成原子操作
            if(instance == null) {//读操作
                instance = new SingletonLazy();//写操作
            }
        }
        return instance;
    }
    //构造方法设为私有
    private SingletonLazy() { };
}

🍃1.我们需要对线程加锁（synchronized）

🍃2.由于线程安全问题是一个线程读和另一个线程写引发的，那么我们就将这两个操作打包成一个原子操作，所以锁就需要加在 if 条件的外边。

🍁【思考与问题2】 

加上锁之后，线程安全问题得到解决了。那么问题又来了，在创建好实例之后，后续在调用 getInstance 的时候就不应该再尝试加锁了，因为再尝试加锁，那么你的程序就要和"高性能"说拜拜了，加锁操作是非常影响效率的！！

🍁【解决方案】

class SingletonLazy {
    private static SingletonLazy instance = null;
    //需要用的时候才实例
    public static SingletonLazy getInstance() {
        //使用双重 if 判定, 降低锁竞争的频率！！
        if(instance == null) {
            synchronized (instance) {
                //把读和写打包成原子操作
                if(instance == null) {//读操作
                    instance = new SingletonLazy();//写操作
                }
            }
        }
        return instance;
    }
    //构造方法设为私有
    private SingletonLazy() { };
}

private static volatile SingletonLazy instance = null;

对于加上 volatile 的原因是什么这个问题，存在很多争议，有些兄弟认为是内存可见性的问题，有些兄弟认为是指令重排序（上一篇博客详细讲到）的问题！！至于是哪一种，我也不确定，因为多线程的随机调度等原因，带来了很多的可能性，不好验证，所以这里我持保守意见！！

本篇博客就到这里了，谢谢观看！！