Java多線程同步機制研究分析

李娟

摘 要：Java多線程同步機制的應(yīng)用有利于提高系統(tǒng)資源的利用率，改善系統(tǒng)的安全性。但是在多線程中最重要的問題是線程的同步和共享資源的訪問保護。本文通過具有意義的售票系統(tǒng)的并發(fā)同步實例，對同步進行了探索。

關(guān)鍵詞：Java 多線程 同步

中圖分類號：G420 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）03（a）-0183-02

至今，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的大面積普及，多處理器計算機已經(jīng)司空見慣，在這種前景下，Java虛擬機（JVM）提供了一個多線程機制。在Java語言的編程設(shè)計中使用多線程運行機制來支持多任務(wù)和并行處理，可以讓在同一地址空間中執(zhí)行多控制流，顯著的提高程序效率。但是線程的同步問題和共享資源的訪問保護是非常復(fù)雜的問題。

1 線程的同步機制

多線程的應(yīng)用程序中，兩個或兩個以上的線程可以共享同一片存儲空間，這帶來方便的同時，也導(dǎo)致線程共享資源發(fā)生沖突，此時我們可以使用Java語言提供的同步機制（又叫互斥鎖機制）來解決此沖突問題。該同步機制是使用synchronized關(guān)鍵字控制一段程序代碼，這代碼段稱為互斥區(qū)或臨界區(qū)。定義臨界區(qū)的目的是在任一時間只有一個線程使用共享資源，保證多線程的并發(fā)執(zhí)行。Java語言的每個對象（即類實例）都對應(yīng)一把鎖（Lock），臨界區(qū)使用鎖來互斥多線程進入臨界區(qū)。每次只有一個線程獲得鎖進入臨界區(qū)，其它沒有獲得鎖的線程必須在就緒隊列中等待，直到該鎖被釋放。synchronized關(guān)鍵字的使用方式有synchronized方法和塊兩種。

（1）synchronized方法：將訪問共享資源的方法都標(biāo)記為synchronized，然后該標(biāo)記的方法來控制對類成員變量的訪問。類實例和鎖是一一對應(yīng)的，當(dāng)獲得需要調(diào)用synchronized方法的類實例鎖時，synchronized方法才可以執(zhí)行，而且它開始執(zhí)行直到完畢為止獨占鎖。這時其它調(diào)用synchronized方法的線程進入阻塞，一直到獲得釋放鎖為止。定義同步方法語法格式如下：

public synchronized void 方法名（參數(shù)列表）{

…//省略代碼

}

（2）synchronized塊：java語言中除了使用synchronized方法來設(shè)置同步，還可以使用synchronized塊來設(shè)置同步。如果使用前者來修飾一個比較大的方法時，也會鎖住了不需要鎖住的字段，導(dǎo)致程序運行效率降低。后者是把程序的某段代碼使用synchronized塊來修飾，跟前者比它可以減少程序的同步區(qū)域。所以我們可以使用synchronized塊來修飾語句塊，能夠彌補synchronized方法修飾的缺陷。定義同步塊的語法格式如下：

synchronized（表達式）//表達式的結(jié)果是當(dāng)前對象{

…//省略代碼

}

從以上兩種方法能夠看出，關(guān)鍵字synchronized用來與對象的鎖聯(lián)系，當(dāng)某個對象使用synchronized修飾時就意味著同步機制已啟動，任一時刻只有讓一個線程訪問臨界區(qū)資源，阻止其他線程訪問該對象，即使出現(xiàn)阻塞和死鎖現(xiàn)象，該對象的被鎖定狀態(tài)也不會解除。

2 同步機制在售票系統(tǒng)的實現(xiàn)

在現(xiàn)實生活當(dāng)中也經(jīng)常遇到多個線程共享同一個數(shù)據(jù)資源，典型的例子是火車票售票系統(tǒng)，來講解線程共享資源。假設(shè)在售票廳內(nèi)設(shè)10個售票窗口，每個售票窗口相當(dāng)于一個線程，這些線程的共同訪問資源為售票廳的100張票。若不設(shè)置同步機制代碼如下：

public class Ticket {

public static void main（String[] args） {

Sell_Ticket st = new Sell_Ticket（）；//創(chuàng)建10個線程，每個線程代表一個售票口

for （int i = 0； i < 10； i++） new Thread（st， "第" + i + "個窗口"）.start（）；

}

}

class Sell_Ticket implements Runnable {

int trainTicket = 100；//預(yù)售的票數(shù)

boolean flag = false；//循環(huán)控制標(biāo)志

public void run（）{

while （！flag） {// 當(dāng)還有剩余票時繼續(xù)售票

sellTicket（）； }

}

public void sellTicket（）{

if （trainTicket > 0） {

System.out.println（Thread.currentThread（）.getName（）+ "售票成功，剩余票數(shù)："

+ trainTicket）；

trainTicket--；

} else flag = true；

}

}

運行的結(jié)果是多個窗口同時售票，會出現(xiàn)剩余票數(shù)變?yōu)樨摂?shù)的情況，即10個線程從100張票賣到1張票的時候還沒有停止賣，系統(tǒng)出現(xiàn)繼續(xù)賣出負數(shù)票的現(xiàn)象。

下面通過Java的多線程同步機制的synchronized方法和塊兩種方式來分別解決以上出現(xiàn)的問題。為了便于觀察到運行錯誤，特意添加Thread.sleep（10）方法，讓每個線程在售票階段睡眠10 ms。

（1）使用synchronized方法：在售票方法sellTicket（）的前面添加synchronized關(guān)鍵字，就相當(dāng)于使用一把鎖鎖住該方法。修改后的程序代碼如下：

public synchronized void sellTicket（）{

if （trainTicket > 0） {

try {

Thread.sleep（10）；//睡眠10毫秒

} catch （InterruptedException e） {e.printStackTrace（）；}

System.out.println（Thread.currentThread（）.getName（）+ "售票成功，剩余票數(shù)："+ trainTicket）；

trainTicket--；

} else flag = true；

}

以上是使用synchronized關(guān)鍵字修飾sellTicket（）方法，對該方法實現(xiàn)了多線程的互斥訪問。程序運行run（）方法以后，當(dāng)判斷出還有剩余票時調(diào)用被加鎖的sellTicket（）方法，這時的sellTicket（）方法，在同一個時間段內(nèi)只能被一個線程訪問。

若synchronized關(guān)鍵字修飾靜態(tài)方法sellTicket（），鎖住的就是類本身。因為靜態(tài)方法是所有類實例對象所共享的，因此線程對象在訪問此靜態(tài)方法時是互斥訪問的，從而可以實現(xiàn)線程的同步。實現(xiàn)方法如下所示：

public static synchronized void sellTicket（） {}

（2）使用synchronized塊：在程序中的if語句外面加synchronized關(guān)鍵字，就相當(dāng)于使用一把鎖鎖住了這段代碼。它不同于同步方法，傳遞一個對象進行同步。修改后的程序如下：

Object object =new Object（）；

public void run（） {

while （！flag） { // 當(dāng)還有剩余票時繼續(xù)售票

synchronized（object）{

if （trainTicket > 0） {

try {

Thread.sleep（10）；

} catch （InterruptedException e） {e.printStackTrace（）；}

System.out.println（Thread.currentThread（）.getName（）+ "售票成功，剩余票數(shù)："

+ trainTicket）；

trainTicket--；

} else flag = true；

}

}

}

以上是使用synchronized關(guān)鍵字修飾了售票代碼段，對該代碼段實現(xiàn)了多線程的互斥訪問。同步塊不像同步方法修飾整個方法，而修飾一段代碼即可。synchronized（object）傳遞的是一個對象object，如果多線程想使用該對象的方法和變量，首先判斷有沒有加鎖，若已加鎖，等待鎖的釋放；若沒有鎖，先將給它加鎖，然后去執(zhí)行代碼。在同一個時間段內(nèi)只能有一個線程能夠獲得這把鎖。

同步塊的關(guān)鍵是多個線程對象競爭同一個共享資源即可，上面的代碼中是通過外部創(chuàng)建共享資源，然后傳遞到線程中來實現(xiàn)。我們也可以利用類成員變量被所有類的實例所共享這一特性，因此可以將object對象用靜態(tài)成員對象來實現(xiàn)，如下所示：

static Object object =new Object（）；

使用synchronized方法和塊兩種方式修改后的運行結(jié)果相同，剩余票數(shù)每次減1，從100減到0，到0時flag=true，while循環(huán)結(jié)束，即不能售票。

3 結(jié)語

Java程序中通過synchronized關(guān)鍵字來實現(xiàn)互斥訪問。本文引用的售票系統(tǒng)，通過synchronized方法和塊兩種方式實現(xiàn)了線程的同步互斥，避免了車票售完以后還能繼續(xù)售票導(dǎo)致數(shù)據(jù)混亂的問題?？傊?，合理使用多線程同步機制才能讓數(shù)據(jù)資源得到安全保障。

參考文獻

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[3] 路勇.Java多線程同步問題分析[J].軟件，2012（4）：31-33.