Java 多线程 - 线程的同步与锁的问题

Java 中，线程的同步与锁是多线程开发中一个极为重要的概念，也是高并发环境下解决数据同步的关键。线程的同步意味着多个线程之间共享数据时需要做到同步，避免数据错乱。锁是线程同步机制的基础，通过加锁可以使线程按照特定的次序串行执行，从而保证多线程访问共享数据时的安全性。

线程同步

当多个线程不同步访问共享数据时，就可能会出现数据的不一致性。线程同步就是使多个线程在共享数据的访问上保持同步，避免数据的冲突和混乱。

Java 语言提供了多种实现线程同步的方法，常用的方式有：

synchronized 关键字
Lock 接口

其中，synchronized 是一种较为简单的、易于使用的线程同步机制，它可以通过对对象或类进行加锁来保证多线程访问的安全性。

synchronized 关键字

synchronized 可以用来修饰方法和代码块，使用方法如下：

synchronized 方法

synchronized 可以用来修饰方法，将其转化为同步方法，如下：

java public synchronized void syncMethod() { // 成员变量的访问、修改等操作 }

上述代码表示 syncMethod() 方法被 synchronized 修饰，成为同步方法。在该方法被执行时，会先获取当前对象的锁，使其它线程无法在该对象上执行同步方法，直到当前线程执行完后释放锁。

synchronized 代码块

synchronized 也可以用来修饰代码块，将其转化为同步代码块，如下：

java synchronized (lockObj) { // 成员变量的访问、修改等操作 }

上述代码表示将锁对象 lockObj 的作用范围限定在同步代码块中，这样，同步代码块执行时，只有获得了锁对象的线程才能执行。

需要注意的是，使用 synchronized 进行线程同步时，要注意以下几点：

同步方法或同步代码块中，必须使用同一个锁；
同步代码块中放置的锁对象不应该是常量对象或者是字符串常量，因为常量对象被共享、不可修改，可能会导致异常的发生；
当多个线程使用同一把锁时，锁的机制可以保证这些线程的访问是按照同一顺序进行的；
synchronized 仅保证同步方法或同步代码块的原子性，不保证线程协同访问多个资源的时的线程安全。

锁的问题

在多线程的开发中，锁是线程同步机制的基础，通过加锁可以使线程按照特定的次序串行执行，从而保证多线程访问共享数据时的安全性。然而锁也可能会引发一些问题，例如死锁、活锁等问题。

死锁

死锁是指资源的竞争导致多个线程之间相互等待，无法继续运行，形成一种僵局。此时，如果任何一个线程不释放其所持有的锁，那么所有的线程都无法继续进行。

解决死锁问题的基本方法是避免产生循环的等待条件，可以通过以下方法避免死锁：

避免一个线程同时持有多个锁；
避免一个线程在同一时刻持有锁的同时去申请其他锁；
使用定时锁，避免无限期的等待；
对于数据库锁等资源，要保证一致性和持久性。

活锁

活锁是指两个或多个进程周期性地改变自己的状态，并且总是在响应对方的状态改变，导致一直都在进行非有效的操作，没有实际的进展，却消耗了资源和 CPU 时间。活锁与死锁类似，但不同的是，在活锁中，线程是不断地重复尝试处理某个任务，而死锁是指一组线程互相等待，而没有线程做出进一步的动作。

解决活锁问题的方法是，根据具体场景、时间和实现方式，对我们的解决策略进行优化，让线程趋于稳定，不会一直尝试。可以通过以下方法来解决活锁问题：

增加等待时间；
引入随机因素；
引入权重因素。

示例说明

下面是两个示例说明，用于演示如何使用锁与同步来进行线程控制。

示例 1：基于 synchronized 的缓存实现

下面的代码实现了一个简单的缓存类，它使用 synchronized 对 put() 和 get() 方法进行了加锁，从而保证了线程安全。

public class Cache {
    private Map<String, Object> cache = new HashMap<String, Object>();

    public synchronized void put(String key, Object value) {
        cache.put(key, value);
    }

    public synchronized Object get(String key) {
        return cache.get(key);
    }
}

在该代码中，使用了 synchronized 来控制 put() 和 get() 方法，使得每次只能有一个线程进入这两个方法，避免了多线程操作时的数据冲突。

示例 2：基于 Lock 的生产者消费者模型

下面的代码演示了基于 Lock 的生产者消费者模型，该模型中，有一个数据缓存队列，生产者可以往队列中添加数据，消费者可以从队列中取出数据。

public class PCModel {
    private List<Integer> queue = new ArrayList<>();
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition notFull = lock.newCondition();
    private Condition notEmpty = lock.newCondition();

    public void put(int value) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.size() == 10) {
                notFull.await();
            }
            queue.add(value);
            notEmpty.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public int get() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.size() == 0) {
                notEmpty.await();
            }
            int value = queue.remove(0);
            notFull.signal();
            return value;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

在该代码中，使用了 Lock 接口进行线程同步，通过加锁和解锁来保证线程安全。当队列为空时，消费者会一直等待 notEmpty 信号，当队列已满时，生产者会一直等待 notFull 信号，通过 Condition 接口与 Lock 接口协作，实现了线程之间的通信和控制。

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