S12L07 - 多线程中的同步方法

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掌握多线程中的同步方法：全面指南
目录


1. 介绍
1


2. 理解 Java 中的多线程
3


3. 同步方法的角色
7


4. 实现同步方法：逐步指南
10


- 4.1 设置 Brackets 类
11


- 4.2 创建和管理线程
15


- 4.3 同步 Generate 方法
19


- 4.4 代码演练与解释
23


- 4.5 程序输出与分析
27


5. 同步方法的优缺点
31


6. 何时何地使用同步方法
35


7. 结论
39


8. 额外资源
42


---
介绍
在 Java 编程领域，multithreading 是一种强大的功能，允许两个或更多线程的并发执行，以最大限度地利用 CPU。然而，管理对共享资源的同步访问仍然是一个关键挑战。本指南深入探讨了多线程中synchronized methods的复杂性，提供了针对初学者和具有基本知识的开发人员的清晰简洁的探索。
为什么同步方法很重要
多线程通过同时执行多个线程来提高应用程序的性能。然而，没有适当的同步，线程可能会相互干扰，导致结果不一致和行为不可预测。Synchronized methods 确保代码的关键部分一次只能被一个线程访问，从而维护数据的完整性和一致性。
关键点概述

多线程基础：理解线程及其执行。
同步方法：控制线程访问的机制。
实现：实现同步方法的逐步指南。
优缺点：权衡利弊。
实际应用：何时何地应用同步。

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理解 Java 中的多线程
在深入了解同步方法之前，必须掌握 Java 中multithreading的基本原理。
什么是多线程？
多线程允许 Java 程序同时执行多个操作。每个线程运行其执行路径，使得诸如动画、后台计算或处理用户交互等任务能够同时进行。
在 Java 中创建线程
可以通过以下方式在 Java 中创建线程：

扩展 Thread 类：

        



		
		
			
			
Java
			
			class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // 执行任务
    }
}
			
				
					
				
					1
2
3
4
5
				
						class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        // 执行任务
    }
}
					
				
			
		


    
实现 Runnable 接口：

        



		
		
			
			
Java
			
			class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        // 执行任务
    }
}
			
				
					
				
					1
2
3
4
5
				
						class MyRunnable implements Runnable {
    public void run() {
        // 执行任务
    }
}
					
				
			
		


    

同步的必要性
当多个线程在没有适当同步的情况下访问共享资源时，可能导致以下问题：

数据不一致：线程覆盖彼此的数据更改。
竞争条件：系统的行为取决于线程执行的顺序。
死锁：线程无限期地等待彼此持有的资源。

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同步方法的角色
Synchronized methods 是 Java 中控制对共享资源访问的基本工具，确保一时间只有一个线程执行方法。
什么是同步方法？
Java 中的synchronized method 是一个一次只能被一个线程访问的方法。一旦一个线程进入同步方法，其他尝试访问同一对象上任何同步方法的线程将被阻塞，直到第一个线程退出方法。
同步方法的语法




		
		
			
			
Java
			
			public synchronized void methodName() {
    // 方法实现
}
			
				
					
				
					1
2
3
				
						public synchronized void methodName() {
    // 方法实现
}
					
				
			
		


同步的工作原理
当一个方法被声明为同步时：

锁的获取：线程通过获取当前对象实例的锁来执行方法。
排他访问：其他线程被阻止执行同一对象上的任何同步方法。
锁的释放：方法完成后，锁被释放，允许其他线程继续。

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实现同步方法：逐步指南
为了说明同步方法的实现，我们将探讨一个涉及名为Brackets的类使用多线程生成模式的实际例子。
4.1 设置 Brackets 类
Brackets 类包含一个生成括号模式的generate方法。最初，该方法未同步，导致多个线程访问时输出不一致。




		
		
			
			
Java
			
			package org.studyeasy;

public class Brackets {
    public void generate() {
        for(int i = 0; i &lt; 10; i++) {
            System.out.print(")");
        }
        for(int i = 0; i &lt; 10; i++) {
            System.out.print("(");
        }
        System.out.println();
    }
}
			
				
					
				
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						package org.studyeasy;
 
public class Brackets {
    public void generate() {
        for(int i = 0; i &lt; 10; i++) {
            System.out.print(")");
        }
        for(int i = 0; i &lt; 10; i++) {
            System.out.print("(");
        }
        System.out.println();
    }
}
					
				
			
		


4.2 创建和管理线程
在 Main 类中，我们创建了两个线程来调用 Brackets 类的 generate 方法。




		
		
			
			
Java
			
			package org.studyeasy;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Brackets brackets = new Brackets();

        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                for(int i = 0; i &lt; 5; i++) {
                    brackets.generate();
                }
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                for(int i = 0; i &lt; 5; i++) {
                    brackets.generate();
                }
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}
			
				
					
				
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						package org.studyeasy;
 
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Brackets brackets = new Brackets();
 
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                for(int i = 0; i &lt; 5; i++) {
                    brackets.generate();
                }
            }
        });
 
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                for(int i = 0; i &lt; 5; i++) {
                    brackets.generate();
                }
            }
        });
 
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}
					
				
			
		


4.3 同步 Generate 方法
为了确保 generate 方法在执行时不被中断，我们将其声明为同步。




		
		
			
			
Java
			
			public synchronized void generate() {
    for(int i = 0; i &lt; 10; i++) {
        System.out.print(")");
    }
    for(int i = 0; i &lt; 10; i++) {
        System.out.print("(");
    }
    System.out.println();
}
			
				
					
				
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						public synchronized void generate() {
    for(int i = 0; i &lt; 10; i++) {
        System.out.print(")");
    }
    for(int i = 0; i &lt; 10; i++) {
        System.out.print("(");
    }
    System.out.println();
}
					
				
			
		


4.4 代码演练与解释
让我们详细解析同步的 generate 方法：

方法声明：

synchronized 关键字确保互斥。


生成括号：

第一个循环打印 10 个右括号 )。
第二个循环打印 10 个左括号 (。


方法执行：

一次只能有一个线程执行 generate，防止输出交错。



4.5 程序输出与分析
未同步时：




		
		
			
			
Java
			
			)))))(((((( )))))(((((
...
			
				
					
				
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2
				
						)))))(((((( )))))(((((
...
					
				
			
		


同步后：




		
		
			
			
Java
			
			)))))(((((( 
)))))(((((( 
...
			
				
					
				
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						)))))(((((( 
)))))(((((( 
...
					
				
			
		


解释：

未同步时：来自多个线程的输出交错，导致模式混乱。
同步后：每个线程在下一个线程开始之前完成它的 generate 方法，确保模式一致。

程序输出示例




		
		
			
			
Java
			
			)))))(((((( 
)))))(((((( 
			
				
					
				
					1
2
				
						)))))(((((( 
)))))(((((( 
					
				
			
		


每一行代表一个线程在不受其他线程干扰的情况下执行 generate 方法的输出。
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同步方法的优缺点
优点

数据完整性：确保共享数据保持一致。
线程安全：防止竞争条件和不可预测的行为。
简洁性：无需复杂机制即可实现。

缺点

性能开销：由于并行性受限，同步可能会减慢程序执行。
潜在死锁：不当的同步可能导致线程无限期等待。
可扩展性下降：过度同步可能阻碍应用程序的高效扩展。

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何时何地使用同步方法
何时使用

共享资源：多个线程访问或修改共享数据时。
关键部分：必须原子执行以保持一致性的代码部分。
相互依赖的操作：结果依赖于执行顺序的操作。

何地使用

数据结构：多个线程访问的集合。
输入/输出操作：写入文件或数据库时，防止并发访问导致不一致。
配置设置：在多线程环境中读取和写入应用程序配置。

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结论
同步方法在 Java 的多线程范式中至关重要，确保代码的关键部分安全且一致地执行。通过控制对共享资源的访问，同步方法防止了常见的并发问题，如竞争条件和数据不一致。然而，开发人员必须权衡同步的优点与其潜在的缺点，如性能开销和可扩展性挑战。
关键要点

Multithreading 提高了应用程序的性能，但增加了复杂性。
Synchronized methods 强制对关键部分的排他访问，维护数据完整性。
正确的实现 对于避免诸如死锁等陷阱至关重要。
谨慎使用同步 以平衡安全性和性能。

掌握同步方法使开发人员能够构建健壮、高效且可靠的多线程应用程序。
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额外资源

官方 Java 同步文档
Brian Goetz 的《Java 并发实战》
TutorialsPoint 的 Java 多线程教程
Oracle 的线程和锁指南
Baeldung 的 Java 并发入门

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注意：本文由 AI 生成。
1. 介绍	1
2. 理解 Java 中的多线程	3
3. 同步方法的角色	7
4. 实现同步方法：逐步指南	10
- 4.1 设置 Brackets 类	11
- 4.2 创建和管理线程	15
- 4.3 同步 Generate 方法	19
- 4.4 代码演练与解释	23
- 4.5 程序输出与分析	27
5. 同步方法的优缺点	31
6. 何时何地使用同步方法	35
7. 结论	39
8. 额外资源	42