Java并發(fā)編程筆記（二）

NickZhou 發(fā)布于2019-08-15 14:19 / 2651人閱讀

摘要：本文探討并發(fā)中的其它問題線程安全可見性活躍性等等。當(dāng)閉鎖到達(dá)結(jié)束狀態(tài)時，門打開并允許所有線程通過。在從返回時被叫醒時，線程被放入鎖池，與其他線程競爭重新獲得鎖。

本文探討Java并發(fā)中的其它問題：線程安全、可見性、活躍性等等。

在行文之前，我想先推薦以下兩份資料，質(zhì)量很高：
極客學(xué)院-Java并發(fā)編程
讀書筆記-《Java并發(fā)編程實戰(zhàn)》

線程安全

《Java并發(fā)編程實戰(zhàn)》中提到了太多的術(shù)語，比如各種XX性。而安全性我覺得這個概念并不妥。計算機(jī)術(shù)語中的線程安全大家一說就懂，但老是生造概念就不好了。又例如，活躍性，就是避免饑餓和死鎖唄！

線程安全問題就是多線程時結(jié)果受執(zhí)行順序影響，要解決就要讓相關(guān)操作具有原子性。這個上過操作系統(tǒng)原理的肯定都知道。至于原子性，不再解釋。

那么，Java給出了哪些工具來保證原子性和線程安全？

內(nèi)置鎖

即synchronized關(guān)鍵字。內(nèi)置鎖可以作用在方法、代碼塊中，作用在方法時表示用該類的當(dāng)前實例（this）作為鎖給方法體加鎖。內(nèi)置鎖的實現(xiàn)是通過編譯器加入monitor_enter和montior_exit指令，在虛擬機(jī)遇到前者時嘗試獲取鎖，把鎖的計數(shù)器加1；遇到后者時，將鎖計數(shù)器減1，鎖計數(shù)器為0時，鎖被釋放。

內(nèi)置鎖一度是java中進(jìn)行同步的唯一方法，很多遺留方法還是使用了內(nèi)置鎖進(jìn)行同步，比如著名的Vector，Collections里面的同步包裝器（如Collections.synchronizedMap(hashmap)）等。

關(guān)于它和Lock的比較，詳見此文。結(jié)論是，建議優(yōu)先使用synchronized來進(jìn)行同步。

顯式鎖

顯式鎖的頂層接口為Lock，提供了ReenterantLock, ReadWriteLock等實現(xiàn)。常見用法如下：

Lock lock = new ReentrantLock();
...
lock.lock();
try {
// 方法體
} 
...
finally {
    lock.unlock();
}

所謂可重入就是鎖的獲得是以線程為單位的，同一線程獲得鎖后可以重復(fù)進(jìn)入鎖。鎖會保存被持有的計數(shù)。

信號量、柵欄、閉鎖

信號量：Semaphore，相當(dāng)于允許進(jìn)入數(shù)量大于1的鎖。
閉鎖：Latch，實現(xiàn)類CountDownLatch。相當(dāng)于一個門，閉鎖到達(dá)結(jié)束狀態(tài)前，門一直關(guān)著，所有線程都不能通過。當(dāng)閉鎖到達(dá)結(jié)束狀態(tài)時，門打開并允許所有線程通過。
柵欄：Barrier，所有線程都等待時才打開放行。

CAS 與樂觀鎖

現(xiàn)代CPU支持一種CAS(Compare And Swap)指令，可以在一個指令內(nèi)完成設(shè)置和沖突檢測，從而實現(xiàn)了高效的原子性。CAS指令接受三個參數(shù)(v, expectedValue, newValue)。如果變量v的值和expectedValue相等，那么就將v賦值為newValue；如果和expectedValue不相等，就返回失敗。

為何CAS的效率更高？采用互斥同步策略的最主要問題就是進(jìn)行線程阻塞和喚醒所帶來的性能問題，因而這種同步又稱為阻塞同步，它屬于一種悲觀的并發(fā)策略（悲觀鎖），即線程獲得的是獨占鎖。獨占鎖意味著其他線程只能依靠阻塞來等待線程釋放鎖。而在 CPU 轉(zhuǎn)換線程阻塞時會引起線程上下文切換，當(dāng)有很多線程競爭鎖的時候，會引起 CPU 頻繁的上下文切換（由此導(dǎo)致內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)切換）導(dǎo)致效率很低。

而基于沖突檢測（CAS）的樂觀并發(fā)策略，通俗地講就是先進(jìn)性操作，如果沒有其他線程爭用共享數(shù)據(jù)，那操作就成功了，如果共享數(shù)據(jù)被爭用，產(chǎn)生了沖突，那就再進(jìn)行其他的補(bǔ)償措施（最常見的補(bǔ)償措施就是不斷地重試，直到試成功為止），這種樂觀的并發(fā)策略不需要把線程掛起，因此這種同步被稱為非阻塞同步。

Java 5.0之后才支持CAS，并用它實現(xiàn)了一些原子變量類，如AtomicInteger//AtomicReference等等。更重要的是，前面提到的所有鎖機(jī)制幾乎都使用了CAS來做性能優(yōu)化。

線程間協(xié)作

這里的線程間協(xié)作是指通過一些機(jī)制使得線程可以彼此等待、喚醒，從而能夠合作。例如，在生產(chǎn)者-消費者模型中，如果生產(chǎn)者向隊列中放入一個新任務(wù)，可以立刻喚醒一個等待在此的消費者，這便是協(xié)作。

首先是基于內(nèi)置鎖和Object類的wait()、notify()、notifyAll()方法。
在java中，每個對象都有兩個池，鎖池和等待池。

鎖池：要進(jìn)入synchronized同步塊的線程，如果此同步塊的鎖（是一個對象）被其他線程持有，則顯然線程不能執(zhí)行下去。線程將被放入該鎖對象的鎖池中，在鎖池中的線程都在競爭這個鎖。

等待池：調(diào)用了鎖對象的wait()方法后，就進(jìn)入了等待池。在等待池中的線程不去競爭鎖，而是等待被鎖對象的notify()或notifyAll()喚醒，之后再進(jìn)入鎖池，開始競爭鎖。

所以，鎖池中的線程相當(dāng)于睡著了，而等待池中的線程則進(jìn)入了第二層睡眠！（如果你看過《盜夢空間》的話~）

再來講這三個方法就好理解了：

Object.wait()
將當(dāng)前線程放到鎖的等待池，直到接到通知（其他線程調(diào)用 notify()方法或 notifyAll()方法）或被中斷。在調(diào)用 wait()之前，線程必須要獲得該對象鎖，即只能在同步塊中調(diào)用 wait()方法。進(jìn)入 wait()方法后，當(dāng)前線程釋放鎖。在從 wait()返回時（被叫醒時），線程被放入鎖池，與其他線程競爭重新獲得鎖。

Object.notify()
也必須在同步方法或同步塊中調(diào)用，用來“叫醒”鎖的等待池中的其他線程。如果有多個線程等待，則任意挑選出其中一個，扔到鎖池中，但不驚動其他同樣在等待被該對象notify的線程們。這里的“叫醒”只是叫醒第二層睡眠，還沒完全醒。

Object.notifyAll()
把所有的鎖等待池中的線程扔到鎖池中。

說了這么多，這幾個方法有什么用？還是生產(chǎn)者-消費者問題，隊列數(shù)據(jù)的正確性需要同步機(jī)制來確保，而兩個線程何時生產(chǎn)，何時取走就需要線程間協(xié)作了。詳見此文。

最后，實際上這幾個方法已經(jīng)過時了。如果想實現(xiàn)等待阻塞的功能，應(yīng)該使用更好用的Lock和Condition，與前面的組合如出一轍。

關(guān)于Lock和Condition的例子，見此回答。

可見性與同步、volatile

可見性指的是，一個變量被一個線程更改后，另一個線程在讀取時由于時間順序，可能得到的最新的有效值，也可能得到的是舊的無效值。

因此，同步的意義不僅僅在于寫，還在于讀。只要在讀的時候也進(jìn)行同步操作（加鎖），就肯定能保證可見性。

另一方面，使用volatile關(guān)鍵字可以實現(xiàn)輕量級的可見性。volatile關(guān)鍵字會禁止所修飾的變量被指令重排序和優(yōu)化成寄存器值從而不對所有線程可見。由于Java保證最低可見性（CPU設(shè)置一個變量會是個原子操作，不會出現(xiàn)設(shè)置到一半就被讀取，從而得到一個隨機(jī)值的情況），因而volatile可以實現(xiàn)非常高效的可見性。

但是volatile的局限也是有的：它只能用于賦值操作，如果是i++這種組合操作，結(jié)果依賴于之前的值，就不再能保證原子性了，因而無法保證準(zhǔn)確。這時，只能采用加鎖操作（或者CAS的沖突重試，總之要保證原子性）。