Java并发编程实践：实现多用户共享账户的存取同步

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发布时间：2025-11-25 20:32:01

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Java并发编程实践：实现多用户共享账户的存取同步

本文深入探讨了在java中如何实现多线程共享账户的存取同步机制。通过一个模拟银行账户的场景，详细阐述了`wait()`和`notifyall()`方法在处理共享资源竞争时的关键作用。文章将展示如何正确地在账户类的存取方法中应用这些同步原语，以确保账户余额在预设的最小和最大值之间安全波动，并实现线程间的有效协作，避免死锁和资源浪费。

核心概念：多线程与共享资源同步

在多线程编程中，当多个线程需要访问和修改同一个共享资源（例如本例中的银行账户余额）时，必须采取适当的同步机制来防止数据不一致和竞态条件。Java提供了多种同步机制，其中synchronized关键字结合wait()和notifyAll()方法是实现线程间协作和条件等待的强大工具。

synchronized 关键字：用于修饰方法或代码块，确保在任何给定时间，只有一个线程可以执行被同步的代码。这保证了对共享资源的原子性操作。
wait() 方法：当一个线程在执行同步代码时发现某个条件不满足（例如账户余额不足以取款，或账户已满无法存款），它可以调用对象的wait()方法。这将使线程释放它持有的对象锁，并进入等待状态，直到被其他线程唤醒。
notify() / notifyAll() 方法：当一个线程修改了共享资源的状态，使得之前等待的条件可能满足时，它可以调用对象的notify()或notifyAll()方法来唤醒一个或所有在该对象上等待的线程。被唤醒的线程将重新尝试获取对象锁，并检查条件是否真的满足。通常推荐使用notifyAll()，以避免“信号丢失”或“死锁”的风险，确保所有相关线程都有机会检查条件。

系统设计与类结构

本教程将通过一个简单的银行系统示例来演示上述概念。该系统包含三个核心类：

BPA (主程序类)：负责创建账户实例和人员线程，并启动这些线程。
Persona (人员线程类)：代表一个用户，它是一个独立的线程，会持续地尝试对共享账户进行存款和取款操作。
Cuenta (账户类)：代表共享的银行账户，包含余额、最大余额和最小余额限制，并提供同步的存款和取款方法。

账户类 (Cuenta) 的实现细节

Cuenta类是实现同步机制的关键。它的ingreso（存款）和retiro（取款）方法都必须是synchronized的，以确保对账户余额的操作是互斥的。同时，这些方法内部会根据账户余额是否满足条件来调用wait()或notifyAll()。

package BPA;

import java.util.Random;

public class Cuenta {

    private int saldo; // 当前余额
    private final int saldoMax; // 最大余额限制
    private final int saldoMin; // 最小余额限制

    public Cuenta(int saldoInicial, int saldoMax) {
        this.saldo = saldoInicial;
        this.saldoMax = saldoMax;
        this.saldoMin = 1; // 最小余额默认为1
    }

    /**
     * 取款操作
     * @param nombre 执行操作的人员名称
     */
    public synchronized void retiro(String nombre) {
        int dinero = new Random().nextInt(300) + 50; // 随机生成取款金额 (50-349)

        // 使用while循环检查条件，防止虚假唤醒
        while ((saldo - dinero) <= saldoMin) {
            System.out.println("  ****  账户余额不足！ " + nombre + " 尝试取出: " + dinero + " 欧元。现有余额: " + getSaldo() + " 欧元。 ****");
            System.out.println(" ---- " + nombre + " 正在等待存款，以便可以继续取款 ---- ");
            try {
                wait(); // 余额不足，释放锁并等待
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println(nombre + " 的取款等待被中断.");
                Thread.currentThread().interrupt(); // 重新设置中断标志
                return; // 退出方法
            }
        }
        // 条件满足，执行取款
        this.saldo = this.saldo - dinero;
        System.out.println("Name: " + nombre + " extract cash: " + dinero + " TOTAL CASH: " + getSaldo());
        notifyAll(); // 余额发生变化，通知所有等待的线程
    }

    /**
     * 存款操作
     * @param nombre 执行操作的人员名称
     */
    public synchronized void ingreso(String nombre) {
        int dinero = new Random().nextInt(300) + 50; // 随机生成存款金额 (50-349)

        // 使用while循环检查条件，防止虚假唤醒
        while ((saldo + dinero) >= saldoMax) {
            System.out.println(" **** 账户已达最大存储限制 (" + saldoMax + " 欧元)。 " + nombre + " 尝试存入: " + dinero + " 欧元。现有余额: " + getSaldo() + " 欧元。 ****");
            System.out.println(" ---- " + nombre + " 正在等待取款，以便可以继续存款 ---- ");
            try {
                wait(); // 账户已满，释放锁并等待
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println(nombre + " 的存款等待被中断.");
                Thread.currentThread().interrupt(); // 重新设置中断标志
                return; // 退出方法
            }
        }
        // 条件满足，执行存款
        this.saldo = this.saldo + dinero;
        System.out.println("Name: " + nombre + " deposit cash: " + dinero + " TOTAL CASH: " + getSaldo());
        notifyAll(); // 余额发生变化，通知所有等待的线程
    }

    public int getSaldo() {
        return saldo;
    }
}

关键点说明：

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synchronized 方法：retiro 和 ingreso 方法都被synchronized修饰，这意味着任何时候只有一个线程能够访问Cuenta对象的这两个方法。
while 循环检查条件：在调用wait()之前，我们使用while循环而不是if语句来检查条件。这是Java并发编程的最佳实践，因为线程可能会被“虚假唤醒”（即在没有notify()或notifyAll()的情况下被唤醒），或者被其他条件满足的notify()唤醒。while循环确保线程在每次被唤醒后都会重新检查条件，只有当条件真正满足时才继续执行。
wait() 和 notifyAll() 的位置：它们必须在同步方法或同步代码块中调用，因为它们操作的是对象的监视器锁。

人物线程类 (Persona) 的实现细节

Persona类继承自Thread，每个Persona实例代表一个独立的线程，它们将循环调用Cuenta对象的存款和取款方法。

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package BPA;

public class Persona extends Thread {

    String nombre;
    private final Cuenta cuenta; // 持有对共享账户的引用

    public Persona(String nombre, Cuenta cuenta) {
        this.nombre = nombre;
        this.cuenta = cuenta;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) { // 线程持续运行
            cuenta.ingreso(nombre); // 尝试存款
            cuenta.retiro(nombre);  // 尝试取款

            try {
                Thread.sleep(1000); // 模拟操作间隔，避免CPU空转
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println(nombre + " 的操作被中断.");
                Thread.currentThread().interrupt(); // 重新设置中断标志
                break; // 线程中断时退出循环
            }
        }
    }
}

关键点说明：

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Persona线程的run()方法中不包含synchronized关键字，也不直接调用wait()或notifyAll()。这是因为Persona线程的职责是调用Cuenta对象的同步方法，而同步和等待/通知逻辑已经封装在Cuenta类中。
Thread.sleep(1000)用于模拟每次操作之间的思考时间或处理延迟，防止线程过度频繁地访问共享资源，降低CPU使用率。

主程序类 (BPA)

BPA类是应用程序的入口点，它负责初始化共享账户和创建并启动多个Persona线程。

package BPA;

public class BPA {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个共享账户实例，初始余额40，最大余额500
        Cuenta laCuenta = new Cuenta(40, 500);

        // 创建两个Persona线程，共享同一个账户
        Persona Ramon = new Persona("Ramon", laCuenta);
        Persona Quique = new Persona("Quique", laCuenta);

        // 启动线程
        Quique.start();
        Ramon.start();

        // 等待所有线程完成（尽管本例中线程是无限循环，join在此处主要用于演示）
        try {
            Quique.join();
            Ramon.join();
        } catch (InterruptedException ex) {
            System.out.println("主线程被中断.");
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

关键点说明：

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