【JavaEE】【多线程】进阶知识
目录
- 一、常见的锁策略
- 1.1 悲观锁 vs 乐观锁
- 1.2 重量级锁 vs 轻量级锁
- 1.3 挂起等待锁 vs 自旋锁
- 1.4 普通互斥锁 vs 读写锁
- 1.5 可重入锁 vs 不可重入锁
- 1.6 不公平锁 vs 公平锁
- 二、synchronized特性
- 2.1 synchronized的锁策略
- 2.2 synchronized加锁过程
- 2.3 其它优化措施
- 三、CAS
- 3.1 CAS概念
- 3.2 CAS应用场景
- 3.2.1 实现原子类。
- 3.2.2 实现自旋锁
- 3.3 CAS的ABA问题
- 3.3.1 ABA问题简介
- 3.3.2 解决方案
- 四、JUC组件
- 4.1 Callable接口
- 4.2 ReentrantLock类
- 4.3 Semaphore类
- 4.4 CountDownLatch类
一、常见的锁策略
1.1 悲观锁 vs 乐观锁
悲观和乐观是指锁竞争的激烈情况。
- 悲观锁:加锁的时候预测接下来的锁竞争会非常激烈,就需要针对这样的激烈情况额外做工作;
- 乐观锁:加锁的时候预测接下来的锁竞争不激烈,就不需要额外做工作去处理锁竞争情况;
1.2 重量级锁 vs 轻量级锁
这两种锁就对应上诉的悲观乐观情况下的处理机制。
- 重量级锁:应对上面的锁竞争激烈的悲观情况,效率更低;
- 轻量级锁:应对上面的锁竞争不激烈的情况,效率更高。
1.3 挂起等待锁 vs 自旋锁
这又是对上面的重量级与轻量级锁的典型实现。
- 挂起等待锁:重量级锁的典型实现,是操作系统内核级别的,加锁发生竞争,线程进入阻塞后,就需要内核进行唤醒。获取锁的周期会变长,但是这期间不会消耗CPU资源。
- 自旋锁:轻量级锁的典型实现,是应用程序级别的,加锁时发生竞争,一般不进行阻塞,而是通过忙等,等待后续程序唤醒。获取锁的周期很短,可以及时获取到锁,但是这期间会一直消耗CPU资源。
1.4 普通互斥锁 vs 读写锁
这两种锁是针对加锁解锁时的线程安全问题。
- 普通互斥锁只有加锁,解锁操作,并且读操作不会出现线程安全问题;
- 而读写锁有读加锁,写加锁,和解锁操作,
读锁与读锁之间不互斥;
读锁与写锁之间存在互斥;
写锁与写锁之间也存在互斥。
读写锁主要是针对读操作多,写操作少的情况服务。
1.5 可重入锁 vs 不可重入锁
这组锁就是针对同一个线程多次嵌套获取同一把锁。
- 可重入锁:字面意思是“可以重新进入的锁”,即允许同一个线程多次获取同一把锁。
- 不可重入锁:字面意思是“不可以重新进入的锁”,即同一个线程多次获取同一把锁,会报错。
1.6 不公平锁 vs 公平锁
这组锁是针对线程获取锁的概率设置的。
- 不公平锁:在Java中不公平锁是概率均等的随机分配锁;
- 公平锁:在Java中公平锁是按照等待的时间先来后到分配锁。因为操作系统是随机调度,为了实现公平锁就需要数据结构来记录先后调度顺序。
二、synchronized特性
2.1 synchronized的锁策略
锁策略如下:
- synchronized是一个自适应的锁,开始时是乐观锁, 如果锁冲突频繁, 就转换为悲观锁。
- 开始是轻量级锁实现, 如果锁被持有的时间较长, 就转换成重量级锁。
- 是一种普通互斥锁。
- 是一种不公平锁。
- 是一种可重入锁。
2.2 synchronized加锁过程
synchronized的自适应过程称为锁升级:无锁 -> 偏向锁 -> 自旋锁 -> 重量级锁。
-
偏向锁:偏向锁不是真的 “加锁”, 只是给对象头中做一个 “偏向锁的标记”, 记录这个锁属于哪个线程.
如果后续没有其他线程来竞争该锁, 那么就不用进行其他同步操作了(避免了加锁解锁的开销)
如果后续有其他线程来竞争该锁(刚才已经在锁对象中记录了当前锁属于哪个线程了, 很容易识别
当前申请锁的线程是不是之前记录的线程), 那就取消原来的偏向锁状态, 进入一般的轻量级锁状态.
就像跟你搞暧昧,但是不正式跟你确认关系,如果没人来追求你就一直不确定关系,如果有人追求你就确认关系。 -
无锁 -> 偏向锁 :这个阶段是进入synchronized代码块;
-
偏向锁 -> 自旋锁:这个阶段是拿到偏向锁后,遇到其他线程来竞争这个锁;
-
自旋锁 -> 重量级锁:这个阶段是JVM发现当前的锁竞争非常激烈。
2.3 其它优化措施
除了上面的synchronized锁升级以外,还有以下的优化措施:
-
锁消除:编译器优化措施,编译器会对加锁的代码进行判断(但这种判断是非常保守的,只有100%确定当前是单线程),如果当前逻辑不需要加锁,编译器就会自动去除synchronized。
-
锁粗化:一个代码对细粒度的代码反复加锁解锁,就会将这个步骤优化为更粗粒度的加锁解锁。
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锁的粒度:加锁和解锁之间,包含的代码执行的逻辑/时间越多,则锁的粒度就越粗,反之越细。
三、CAS
3.1 CAS概念
CAS: 全称Compare and swap,字面意思:”比较并交换“,一个 CAS 涉及到以下操作:
我们假设内存中的原数据V,旧的预期值A,需要修改的新值B。
- 比较 A 与 V 是否相等。(比较)
- 如果比较相等,将 B 写入 V。(交换)
- 返回操作是否成功。
伪代码表示如下:
boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {if (&address == expectedValue) {&address = swapValue;return true;}return false;
}
3.2 CAS应用场景
3.2.1 实现原子类。
原子类:特指java.util.concurrent.atomic
包下的类,这些类中的操作都是原子的。
像我们前面Thread类详解,这篇文章介绍的非原子的操作带来的线程安全问题,如果使用原子类就不存在了。
例如执行下面这段代码:结果就一直是100000。
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class Demo {private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread thread1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 50000; i++) {count.getAndAdd(1);}});Thread thread2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 50000; i++) {count.getAndAdd(1);}});thread1.start();thread2.start();thread1.join();thread2.join();System.out.println(count.get());}
}
原子类线程安全的原理:
假设两个线程同时调用 getAndIncrement :
- 两个线程都读取 value 的值到 oldValue 中。 (oldValue 是一个局部变量, 在栈上. 每个线程有自己的栈)
- 线程1 先执行 CAS 操作. 由于 oldValue 和 value 的值相同, 直接进行对 value 赋值。
- 线程2 再执行 CAS 操作, 第一次 CAS 的时候发现 oldValue 和 value 不相等, 不能进行赋值。因此需要进入循环。在循环里重新读取 value 的值赋给 oldValue。
- 线程2 接下来第二次执行 CAS, 此时 oldValue 和 value 相同, 于是直接执行赋值操作。
- 线程1 和 线程2 返回各自的 oldValue 的值即可。
3.2.2 实现自旋锁
基于 CAS 实现更灵活的自旋锁, 获取到更多的控制权。
主要逻辑如下:
- 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有。
- 如果这个锁已经被别的线程持有, 那么就自旋等待。
- 如果这个锁没有被别的线程持有, 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程.
伪代码描述如下:
public class SpinLock {private Thread owner = null;public void lock(){while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){}}public void unlock (){this.owner = null;}
}
3.3 CAS的ABA问题
3.3.1 ABA问题简介
假设存在两个线程 t1 和 t2. 有一个共享变量 num, 初始值为 A。
接下来, 线程 t1 想使用 CAS 把 num 值改成 Z, 那么就需要先读取 num 的值, 记录到 oldNum 变量中.。
使用 CAS 判定当前 num 的值是否为 A, 如果为 A, 就修改成 Z。
但是, 在 t1 执行这两个操作之间, t2 线程可能把 num 的值从 A 改成了 B, 又从 B 改成了 A。
线程 t1 的 CAS 是期望 num 不变就修改. 但是 num 的值已经被 t2 给改了. 只不过又改成 A 了. 这
个时候 t1 究竟是否要更新 num 的值为 Z 。就不符合预期出现bug。
过程图:
bug例子:
假如你去取钱有1000,取500,不小心按了两次取款,我们只想扣一次500,第一次按相当于T2,第二次按相当于T1,先执行T2读取操作修改为500,这时又正好有人给你汇款了500,内存中与寄存器中又相等了,T1扣款的操作也会执行成功。
造成ABA问题的原因就是内存值既有加又有减,所以我们的解决ABA的方式如下。
3.3.2 解决方案
给要修改的值, 引入版本号. 在 CAS 比较数据当前值和旧值的同时, 也要比较版本号是否符合预期。
CAS 操作在读取旧值的同时, 也要读取版本号。
真正修改的时候,:
- 如果当前版本号和读到的版本号相同, 则修改数据, 并把版本号 + 1。
- 如果当前版本号高于读到的版本号. 就操作失败(认为数据已经被修改过了)。
四、JUC组件
JUC组件就是指 java.util.concurrent 这个包下面的类。
4.1 Callable接口
Callable 接口就和java.lang包下的Runnable接口的定位差不多,只不过给了我们一个返回值,在Runnable接口要重写run方法,而在Callable接口中要重写call方法。
在使用Callable接口传入线程时需要借助JUC下的另一个类FutureTask。
使用例子一般如下:
public class Demo {public static void main(String[] args) {//创建实现了Callable接口的方法Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {@Overridepublic Integer call() throws Exception {return null;}};//将实现Callable接口的对象作为参数传入FutureTask,泛型参数要一致FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);//将FutureTask对象作为参数传入Thread thread = new Thread(futureTask);}
}
4.2 ReentrantLock类
ReentrantLock类可重入互斥锁,和synchronized的定位是差不多的。
ReentrantLock 的用法:
- public void lock(): 加锁, 如果获取不到锁就死等。
- public boolean trylock(超时时间): 加锁, 如果获取不到锁, 等待一定的时间之后就放弃加锁。
- public void unlock(): 解锁。
使用这个类加锁需要我们手动解锁,为避免解锁执行不到的情况,我们一般将unlock放在finally代码块中。
ReentrantLock locker = new ReentrantLock();try {locker.lock();}finally {locker.unlock();}
ReentrantLock与synchronized的区别:
- ReentrantLock是类,是Java代码实现的,synchronized是关键字由JVM使用c++代码实现的。
- ReentrantLock是需要lock()方法加锁,unlock()方法解锁。synchronized是通过进出代码块加锁解锁。
- ReentrantLock还提供了tryLock()方法可以设置超时时间,不会一直阻塞,加锁成功返回true,调用者可以根据返回值自己操作。
- ReentrantLock还提供了公平锁的实现,默认是非公平锁,但是构造方法传参true实现公平锁。
- ReentrantLock搭配的通知机制是Condition类,可以更精确控制唤醒某个指定的线程,相比wait / notify功能更强大。
4.3 Semaphore类
信号量,:用来表示 “可用资源的个数”。 本质上就是一个计数器,能够协调多个线程之间的资源调配。
最主要的就是申请资源(P操作,调用acquire方法)释放资源(V操作,调用release方法)
- 可以把信号量想象成是停车场的展示牌: 当前有车位 100 个。表示有 100 个可用资源。
- 当有车开进去的时候, 就相当于申请一个可用资源, 可用车位就 -1 (这个称为信号量的 P 操作)
- 当有车开出来的时候, 就相当于释放一个可用资源, 可用车位就 +1 (这个称为信号量的 V 操作)
- 如果计数器的值已经为 0 了, 还尝试申请资源, 就会阻塞等待, 直到有其他线程释放资源.
4.4 CountDownLatch类
CountDownLatch类的作用:同时等待 N 个任务执行结束。(就像跑步比赛,10个选手依次就位,哨声响才同时出发;所有选手都通过终点,才能公布成绩。)
使用多线程的时候,经常会把一个大任务拆分为多个子任务,使用CountDownLatch衡量子任务完成,让整个任务完成。
- 构造 CountDownLatch 实例, 参数传入任务个数,初始化 10 表示有 10 个任务需要完成。
- 每个任务执行完毕, 都调用 countDown()方法 . 在 CountDownLatch 内部的计数器同时自减.
- 主线程中使用 await()方法; 阻塞等待所有任务执行完毕后wait结束。 相当于计数器为 0 了。