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用有利于提高系統資源的利用率，改善系統的安全性。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的并發同步實例，對同步進行了探索。

關鍵詞：Java 多線程 同步

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

至今，隨著計算機技術的飛速發展和互聯網的大面積普及，多處理器計算機已經司空見慣，在這種前景下，Java虛擬機（JVM）提供了一個多線程機制。在Java語言的編程設計中使用多線程運行機制來支持多任務和并行處理，可以讓在同一地址空間中執行多控制流，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雜的問題。

1 線程的同步機制

多線程的應用程序中，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，也導致線程共享資源發生沖突，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關鍵字控制一段程序代碼，這代碼段稱為互斥區或臨界區。定義臨界區的目的是在任一時間只有一個線程使用共享資源，保證多線程的并發執行。Java語言的每個對象（即類實例）都對應一把鎖（Lock），臨界區使用鎖來互斥多線程進入臨界區。每次只有一個線程獲得鎖進入臨界區，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記為synchronized，然后該標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的，當獲得需要調用synchronized方法的類實例鎖時，synchronized方法才可以執行，而且它開始執行直到完畢為止獨占鎖。這時其它調用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（參數列表）{

…//省略代碼

}

（2）synchronized塊：java語言中除了使用synchronized方法來設置同步，還可以使用synchronized塊來設置同步。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）//表達式的結果是當前對象{

…//省略代碼

}

從以上兩種方法能夠看出，關鍵字synchronized用來與對象的鎖聯系，當某個對象使用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資源，阻止其他線程訪問該對象，即使出現阻塞和死鎖現象，該對象的被鎖定狀態也不會解除。

2 同步機制在售票系統的實現

在現實生活當中也經常遇到多個線程共享同一個數據資源，典型的例子是火車票售票系統，來講解線程共享資源。假設在售票廳內設10個售票窗口，每個售票窗口相當于一個線程，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；//預售的票數

boolean flag = false；//循環控制標志

public void run（）{

while （！flag） {// 當還有剩余票時繼續售票

sellTicket（）； }

}

public void sellTicket（）{

if （trainTicket > 0） {

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

+ trainTicket）；

trainTicket--；

} else flag = true；

}

}

運行的結果是多個窗口同時售票，會出現剩余票數變為負數的情況，即10個線程從100張票賣到1張票的時候還沒有停止賣，系統出現繼續賣出負數票的現象。

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關鍵字，就相當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："+ trainTicket）；

trainTicket--；

} else flag = true；

}

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

若synchronized關鍵字修飾靜態方法sellTicket（），鎖住的就是類本身。因為靜態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方法時是互斥訪問的，從而可以實現線程的同步。實現方法如下所示：

public static synchronized void sellTicket（） {}

（2）使用synchronized塊：在程序中的if語句外面加synchronized關鍵字，就相當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） { // 當還有剩余票時繼續售票

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："

+ trainTicket）；

trainTicket--；

} else flag = true；

}

}

}

以上是使用synchronized關鍵字修飾了售票代碼段，對該代碼段實現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，然后去執行代碼。在同一個時間段內只能有一個線程能夠獲得這把鎖。

同步塊的關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建共享資源，然后傳遞到線程中來實現。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對象用靜態成員對象來實現，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果相同，剩余票數每次減1，從100減到0，到0時flag=true，while循環結束，即不能售票。

3 結語

Java程序中通過synchronized關鍵字來實現互斥訪問。本文引用的售票系統，通過synchronized方法和塊兩種方式實現了線程的同步互斥，避免了車票售完以后還能繼續售票導致數據混亂的問題。總之，合理使用多線程同步機制才能讓數據資源得到安全保障。

參考文獻

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[2] 沈祥玖，李作緯.操作系統原理與應用[M].3版.北京：高等教育出版社，2013.

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