Java基础进阶 JDK1.5后的同步解决和线程面试题

1、JDK1.5后的同步解决(掌握)

在多生产和多消费的程序中,为了防止死锁,我们使用notifyAll()方法,这样保证唤醒的所有线程中肯定有生产者线程,还会有消费者线程,即使本方唤醒了本方,由于使用的while循环判断有没有商品(手机),唤醒的线程还会继续去判断。但是由于本方唤醒本方,本身就没有意义。只有本方唤醒对方,这样才能和谐的进行下去。

而在jdk5之前,java没有提供可以让本方唤醒对方的技术。而在JDK5中提供了对同步锁的升级,以及提供了等待和唤醒的升级。这样就可以保证在唤醒的时候,不再唤醒自己的一方,而是唤醒对方。

锁的升级:
在JDK5之前,锁的获取和释放都是隐式的,看不见。也就说我们并没有直接看到在哪里加上了锁,在哪里释放了锁。到了JDK5的时候,java中提供了一个Lock接口,在这个接口中定义了锁的释放和获取的方法,后期程序中需要使用同步,这时可以使用Lock接口的实现类显示的完成锁的获取和释放的动作。

1.1、认识Lock

1.png

说明:
1)属于java.util.concurrent.locks包下的;
2)JDK5提供的Lock接口比JDK5之前的同步更好使用,更加灵活。Lock接口代替JDK5之前的同步代码块。

Lock接口的函数如下所示:


2.png

注意:在使用Lock锁对象时,需要手动的书写代码用来:获取锁、释放锁
(在同步代码块中不需要手动的书写获取锁、释放锁的代码。但是,同步代码块在执行时底层还是会获取锁、释放锁)

由于Lock属于接口,不能创建对象,所以我们可以使用它的子类ReentrantLock来创建对象并使用Lock接口中的函数。


3.png

ReentrantLock类的构造函数如下所示:


4.png

1.2、使用Lock演示卖票案例

需求:使用Lock实现线程安全的卖票。
分析和步骤:
1)定义一个卖票的任务类SellTicketTask 类并实现Runnable接口;
2)在任务类中定义一个成员变量tickets保存票数100;
3)定义一把锁Lock的对象l;
4)在run函数中模拟卖票,if语句的上面使用锁对象l调用lock()函数获取锁,等待if语句结束之后,使用锁对象l调用unlock()函数释放锁;
5)定义测试类SellTicketDemo,在这个类中分别创建任务类的对象和线程类的对象,并使用线程类的对象调用start()函数来启动线程;

/*
 * 需求:使用Lock实现线程安全的卖票。
 * Lock是接口,只能通过他的子类ReentrantLock创建对象
 * 构造函数 ReentrantLock()  创建一个 ReentrantLock 的实例。
 *  void lock() 获取锁。 
 *  void unlock() 试图释放此锁。 
 */
//定义一个任务类用来卖票
class SellTicketTask implements Runnable
{
    //定义100张票
    private static int tickets=100;
    //创建对象作为任意一把锁
//  private Object obj=new Object();
    //定义一把锁
    Lock l=new ReentrantLock();
    //模拟卖票
    public void run() {
        /*while(true)
        {
            synchronized (obj) {
                if(tickets>0)
                {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"出票:"+tickets--);
                }
            }
        }*/
        //使用Lock锁替换synchronized
        while(true)
        {
                //获取锁
                l.lock();
                if(tickets>0)
                {
                    try {Thread.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {}
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"出票:"+tickets--);
                }
                //释放锁
                l.unlock();
        }
    }
}
public class SellTicketDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建任务类对象
        SellTicketTask stt = new SellTicketTask();
        //创建线程对象
        Thread t1 = new Thread(stt,"窗口1");
        Thread t2 = new Thread(stt,"窗口2");
        Thread t3 = new Thread(stt,"窗口3");
        Thread t4 = new Thread(stt,"窗口4");
        //启动线程
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        t4.start();
    }
}

1.3、认识Condition

在多生产和多消费的程序中,为了防止死锁,我们使用notifyAll()方法,这样保证唤醒的所有线程中肯定有生产者线程,还会有消费者线程,即使本方唤醒了本方,由于使用的while循环判断有没有商品(手机),唤醒的线程还会继续去判断。但是由于本方唤醒本方,本身就没有意义。只有本方唤醒对方,这样才能和谐的进行下去。

而在jdk5之前,java没有提供可以让本方唤醒对方的技术。而在JDK5中提供了对同步锁的升级,以及提供了等待和唤醒的升级。这样就可以保证在唤醒的时候,不再唤醒自己的一方,而是唤醒对方。

在以前,用一把锁来同时控制生产和消费线程等待唤醒的。使用wait()和notify()机制,每次唤醒线程都是随机的,因此给我们带来了一些奇怪的BUG。(例如,程序卡主)。在JDK5中,提供了Condition对象控制线程状态,可以有针对性的控制线程的等待和唤醒。


5.png

说明:
1)在JDK5之前,等待和唤醒必须和锁绑定在一起。在JDK5之后把锁和等待唤醒抽离到2个不同的接口中;
2)Lock锁接口代替了synchronized同步代码块的书写,专门负责同步的锁;
3)Condition接口代替了同步代码块中锁对象上的等待唤醒功能,专门负责线程的等待和唤醒;

Condition接口中的主要函数如下所示:


6.png

Condition是一个接口,不能new对象,所以要获取Condition接口的对象,使用Lock接口中的newCondition()方法:

7.png

Lock接口中的newCondition()方法:![image](http://upload-
8.png

说明:

一个Lock锁上,可以获取多个Condition对象,就是可以使用Lock锁对象多次调用newCondition()方法获取多个Condition对象。

并且每个Condition可以控制不同的线程。

比如:我创建两个Condition对象,
一个Condition专门控制生产线程,另一个专门控制消费的线程。

这样就可以达到我们想要的针对性的控制线程的等待和唤醒,想要哪个线程等待或者唤醒都可以实现。

1.4、改造单生产和单消费代码

需求:改造之前书写过的单线程生产和单线程的消费代码。只需要修改生产车间PhoneFactory 类中的代码即可。

分析和步骤:
1)代码和之前都一样,只需添加几行代码即可;
2)定义锁Lock 对象l,同时使用锁对象l调用newCondition()函数并创建生产者和消费者的Condition类的对象,分别为pro_con和con_con;
3)首先分别将原来的produce()和get()函数的同步synchronized去掉,换成lock()和unlock()函数;
4)在produce()函数中使用pro_con对象调用await()函数让生产线程等待,使用con_con对象调用signal()函数唤醒消费者线程;
5)在get()函数中使用con_con对象调用await()函数让消费线程等待,使用pro_con对象调用signal()函数唤醒生产者线程;

/*
 * 这是生产手机的车间,其实是一个小作坊
 * 每次生产一部手机,并且每次消费一部分手机
 * 正确的思路:
 *  对于生产线程:每次生产之前,先判断是否有手机,如果有手机,就不生产,则等待。如果没有手机,则生产,生产完成唤醒消费者来消费。
 *  对于消费线程:每次消费之前,先判断是否有手机,如果没有手机,就不消费,则等待。如果有手机,则消费,消费完成唤醒生产者来生产。
 * void wait()  让线程等待
 * void notify()  唤醒某个线程
 * 
 * 使用Lock和Condition改造单生产和单消费的代码
 */
public class PhoneFactory {
    //定义成员变量存储手机
    private String name;//手机名字
    private double price;//手机价格
    //定义一个变量用来决定生产哪部手机
    private int i=0;
    //定义一个变量作为标记,用来标记是否有手机
    private boolean hasPhone=false;//false表示没有手机,true表示有手机
    //定义锁对象
    private Lock l=new ReentrantLock();
    //定义生产者的Condition对象
    private Condition pro_con= l.newCondition();
    //定义消费者的Condition对象
    private Condition con_con=l.newCondition();
    //定义一个函数用来生产手机
    //给函数加同步,线程的锁是this
    public /*synchronized*/ void produce()
    {
        //获取锁
        l.lock();
        //先判断是否有手机
        while(hasPhone)
        {
            //说明有手机,不生产,线程等待
//          try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {}
            try {pro_con.await();} catch (InterruptedException e) {}
        }
        //线程走到这里说明没有手机
        //生产手机
        if(i%2 == 0)
        {
            this.name="Iphone6 Plus";
            this.price=6888.00;
        }else
        {
            this.name="华为";
            this.price=799.00;
        }
        //有手机了,修改标记
        this.hasPhone=true;
        //唤醒
//      this.notify();
        //唤醒所有的线程
//      this.notifyAll();
        //唤醒消费者
        con_con.signal();
        i++;
        //释放锁
        l.unlock();
    }
    //定义一个函数让外界来获取手机
    ////给函数加同步,线程的锁是this
    public /*synchronized*/ void get()
    {
        //获取锁
        l.lock();
        //判断是否有手机
        while(!hasPhone)
        {
            //没有手机,就不消费,则等待
//          try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {}
            try {con_con.await();} catch (InterruptedException e) {}
        }
        //说明有手机,消费手机
        System.out.println("消费了:"+name+"....."+price);
        //更改手机标记,消费完了,手机肯定没了
        this.hasPhone=false;
        //消费完成唤醒生产者来生产
//      this.notify();
        //唤醒所有的线程
//      this.notifyAll();
        //唤醒生产线程
        pro_con.signal();
        //释放锁
        l.unlock();
    }
}

问题:通过上述代码我们发现定义生产者的Condition对象和定义消费者的Condition对象的代码除了变量名pro_con和con_con有区别之外,剩下的几乎没有区别(这里的两个对象效果是一样的,两个变量中的地址值肯定是不一样的),那么为什么pro_con.signal()就是唤醒生产者,而con_con.signal()唤醒的就是消费者呢?为什么不能说pro_con.signal()是唤醒消费者,con_con.signal()是唤醒生产者呢?

答:
Condition对象只能唤醒自己等待的线程。换句话说不能唤醒别人等待的线程。
举例:上述produce()函数中,当执行pro_con.await()函数时,生产线程等待,那么对于Condition类的对象pro_con调用signal()函数时只能唤醒生产线程之类的线程。不会唤醒消费线程。
signal()函数唤醒一个随机线程,并且是自己等待线程中的随机线程。即,指定类型的随机线程。

举例:比如有多个生产者或者多个消费者时,假设调用signal()函数唤醒生产者线程,那么就会在多个生产者线程中随机唤醒某个生产者线程,并不是指定的具体某个生产者线程,但是一定是生产者线程,不会是消费者线程。

1.5、改造多生产和多消费代码

需求:改造之前书写过的多线程生产和多线程的消费代码。只需要修改生产车间PhoneFactory 类中的代码即可。

代码和上述单线程代码一致。

代码如下所示:

/*
 * 这是生产手机的车间,其实是一个小作坊
 * 每次生产一部手机,并且每次消费一部分手机
 * 正确的思路:
 *  对于生产线程:每次生产之前,先判断是否有手机,如果有手机,就不生产,则等待。如果没有手机,则生产,生产完成唤醒消费者来消费。
 *  对于消费线程:每次消费之前,先判断是否有手机,如果没有手机,就不消费,则等待。如果有手机,则消费,消费完成唤醒生产者来生产。
 * void wait()  让线程等待
 * void notify()  唤醒某个线程
 * 
 * 使用Lock和Condition改造单生产和单消费的代码
 */
public class PhoneFactory {
    //定义成员变量存储手机
    private String name;//手机名字
    private double price;//手机价格
    //定义一个变量用来决定生产哪部手机
    private int i=0;
    //定义一个变量作为标记,用来标记是否有手机
    private boolean hasPhone=false;//false表示没有手机,true表示有手机
    //定义锁对象
    private Lock l=new ReentrantLock();
    //定义生产者的Condition对象
    private Condition pro_con= l.newCondition();
    //定义消费者的Condition对象
    private Condition con_con=l.newCondition();
    //定义一个函数用来生产手机
    //给函数加同步,线程的锁是this
    public /*synchronized*/ void produce()
    {
        //获取锁
        l.lock();
        //先判断是否有手机
        while(hasPhone)
        {
            //说明有手机,不生产,线程等待
//          try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {}
            try {pro_con.await();} catch (InterruptedException e) {}
        }
        //线程走到这里说明没有手机
        //生产手机
        if(i%2 == 0)
        {
            this.name="Iphone6 Plus";
            this.price=6888.00;
        }else
        {
            this.name="华为";
            this.price=799.00;
        }
        //有手机了,修改标记
        this.hasPhone=true;
        //唤醒
//      this.notify();
        //唤醒所有的线程
//      this.notifyAll();
        //唤醒消费者
        con_con.signal();
        i++;
        //释放锁
        l.unlock();
    }
    //定义一个函数让外界来获取手机
    ////给函数加同步,线程的锁是this
    public /*synchronized*/ void get()
    {
        //获取锁
        l.lock();
        //判断是否有手机
        while(!hasPhone)
        {
            //没有手机,就不消费,则等待
//          try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {}
            try {con_con.await();} catch (InterruptedException e) {}
        }
        //说明有手机,消费手机
        System.out.println("消费了:"+name+"....."+price);
        //更改手机标记,消费完了,手机肯定没了
        this.hasPhone=false;
        //消费完成唤醒生产者来生产
//      this.notify();
        //唤醒所有的线程
//      this.notifyAll();
        //唤醒生产线程
        pro_con.signal();
        //释放锁
        l.unlock();
    }
}

说明:
1)

   // 定义锁对象
   private Lock l = new ReentrantLock();
   // 定义生产者的Condition对象
   private Condition pro_con =l.newCondition();
   // 定义消费者的Condition对象
   private Condition con_con =l.newCondition();

上述Lock锁对象和Condition对象必须作为一套一起使用,不能和之前学习的同步synchronized一起混合使用,否则会报异常。

也就是说上述Lock接口必须和Condition一起使用。而同步代码块synchronized还是按照和之前讲解的一样一起使用。

2)这里也可以使用signalAll()函数唤醒同一类线程中的所有线程;

2、多线程面试题

1)多线程有几种实现方案,分别是哪几种?

两种:

     继承Thread:
              A:自定义类,继承Thread
              B:重写run方法
              C:创建线程类对象
              D:启动线程

     实现Runnable:
              A:自定义类,实现Runnable接口
              B:实现run方法
              C:创建任务类对象
              D:创建线程对象,把任务对象作为参数传递
              E:启动线程 

2)同步有几种方式,分别是什么?

三种:
A:同步代码块:锁是任意对象,但是必须唯一
B:非静态同步方法:锁是this
C:静态同步方法:锁是当前类的字节码文件对象。类名.class

其实,在JDK1.5提供了新的同步机制:

     Lock
              lock()上锁
              unlock()释放锁

3)run()函数和start()函数的区别?
run:封装线程任务的
start:先启动线程,再执行run方法

4)sleep()和wait()方法的区别

区别:

     A:sleep需要接收时间参数,wait不需要接收时间参数;
     B:sleep可以自然醒,wait必须等待别人唤醒;
     C:sleep不需要同步结合,wait必须与同步结合使用;
     D:sleep不释放锁,而wait会释放锁;

联系:
A:都会导致线程阻塞;
B:都会释放CPU的执行资格和执行权;

5)为什么wait(),notify(),notifyAll()等方法都定义在Object类中?
首先:线程的通信必须由锁来控制
然后,锁对象是任意的,任意对象都能调用的方法,必须定义在Object类中。

6)线程的生命周期图

                                             阻塞(不可运行)
             创建 --->  就绪(可以运行) -->  运行(正在运行) -->死亡

7)死锁产生的原因?
在同步嵌套的情况下,如果多个线程争夺资源,就会出现死锁。

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