啃碎并发(六):Java 线程同步与实现

发布于: 2020 年 07 月 08 日
啃碎并发(六):Java线程同步与实现

前言

为何要使用Java线程同步? Java允许多线程并发控制,当多个线程同时操作一个可共享的资源变量时,将会导致数据不准确,相互之间产生冲突,因此加入同步锁以避免在该线程没有完成操作之前,被其他线程的调用,从而保证了该变量的唯一性和准确性。

但其并发编程的根本,就是使线程间进行正确的通信。其中两个比较重要的关键点,如下:

Java中提供了很多线程同步操作,比如:synchronized关键字、wait/notifyAll、ReentrantLock、Condition、一些并发包下的工具类、Semaphore,ThreadLocal、AbstractQueuedSynchronizer等。本文主要说明一下这几种同步方式的使用及优劣。

1 ReentrantLock可重入锁

自JDK5开始,新增了Lock接口以及它的一个实现类ReentrantLock。ReentrantLock可重入锁是J.U.C包内置的一个锁对象,可以用来实现同步,基本使用方法如下:

上面例子表示 同一时间段只能有1个线程执行execute方法,输出如下:

可重入锁中可重入表示的意义在于 对于同一个线程,可以继续调用加锁的方法,而不会被挂起。可重入锁内部维护一个计数器,对于同一个线程调用lock方法,计数器+1,调用unlock方法,计数器-1。

举个例子再次说明一下可重入的意思:在一个加锁方法execute中调用另外一个加锁方法anotherLock并不会被挂起,可以直接调用(调用execute方法时计数器+1,然后内部又调用了anotherLock方法,计数器+1,变成了2):

输出:

2 synchronized

synchronized跟ReentrantLock一样,也支持可重入锁。但是它是 一个关键字,是一种语法级别的同步方式,称为内置锁

输出结果跟ReentrantLock一样,这个例子说明内置锁可以作用在方法上。synchronized关键字也可以修饰静态方法,此时如果调用该静态方法,将会锁住整个类

同步是一种高开销的操作,因此应该尽量减少同步的内容。通常没有必要同步整个方法,使用synchronized代码块同步关键代码即可

synchronized跟ReentrantLock相比,有几点局限性

所以,Lock的操作与synchronized相比,灵活性更高,而且Lock提供多种方式获取锁,有Lock、ReadWriteLock接口,以及实现这两个接口的ReentrantLock类、ReentrantReadWriteLock类。

关于Lock对象和synchronized关键字选择的考量

在性能考量上来说,如果竞争资源不激烈,两者的性能是差不多的,而当竞争资源非常激烈时(即有大量线程同时竞争),此时Lock的性能要远远优于synchronized。所以说,在具体使用时要根据适当情况选择。

3 Condition条件对象

Condition条件对象的意义在于 对于一个已经获取Lock锁的线程,如果还需要等待其他条件才能继续执行的情况下,才会使用Condition条件对象

Condition可以替代传统的线程间通信,用await()替换wait(),用signal()替换notify(),用signalAll()替换notifyAll()。

这个例子中thread1执行到condition.await()时,当前线程会被挂起,直到thread2调用了condition.signalAll()方法之后,thread1才会重新被激活执行

传统线程的通信方式,Condition都可以实现。Condition的强大之处在于它可以为多个线程间建立不同的Condition

4 wait&notify/notifyAll方式

Java线程的状态转换图与相关方法,如下:

线程状态转换图

在图中,红框标识的部分方法,可以认为已过时,不再使用。上图中的方法能够参与到线程同步中的方法,如下:

  1. wait、notify、notifyAll方法:线程中通信可以使用的方法。线程中调用了wait方法,则进入阻塞状态,只有等另一个线程调用与wait同一个对象的notify方法。这里有个特殊的地方,调用wait或者notify,前提是需要获取锁,也就是说,需要在同步块中做以上操作

这里需要注意的是 调用wait/notifyAll方法的时候一定要获得当前线程的锁,否则会发生IllegalMonitorStateException异常。

join方法:该方法主要作用是在该线程中的run方法结束后,才往下执行。

yield方法:线程本身的调度方法,使用时线程可以在run方法执行完毕时,调用该方法,告知线程已可以出让CPU资源。

sleep方法:通过sleep(millis)使线程进入休眠一段时间,该方法在指定的时间内无法被唤醒,同时也不会释放对象锁

  1. sleep方法告诉操作系统 至少在指定时间内不需为线程调度器为该线程分配执行时间片,并不释放锁(如果当前已经持有锁)。实际上,调用sleep方法时并不要求持有任何锁

所以,sleep方法并不需要持有任何形式的锁,也就不需要包裹在synchronized中

5 ThreadLocal

ThreadLocal是一种把变量放到线程本地的方式来实现线程同步的。比如:SimpleDateFormat不是一个线程安全的类,可以使用ThreadLocal实现同步,如下:

ThreadLocal与同步机制的对比选择

6 volatile修饰变量

volatile关键字为域变量的访问提供了一种免锁机制,使用volatile修饰域相当于告诉虚拟机该域可能会被其他线程更新,因此每次使用该域就要重新计算,而不是使用寄存器中的值,volatile不会提供任何原子操作,它也不能用来修饰final类型的变量

多线程中的非同步问题主要出现在对域的读写上,如果让域自身避免这个问题,则就不需要修改操作该域的方法。用final域,有锁保护的域和volatile域可以避免非同步的问题

7 Semaphore信号量

Semaphore信号量被用于控制特定资源在同一个时间被访问的个数。类似连接池的概念,保证资源可以被合理的使用。可以使用构造器初始化资源个数:

输出:

8 并发包下的工具类

8.1 CountDownLatch

CountDownLatch是一个计数器,它的构造方法中需要设置一个数值,用来设定计数的次数。每次调用countDown()方法之后,这个计数器都会减去1,CountDownLatch会一直阻塞着调用await()方法的线程,直到计数器的值变为0

输出:

8.2 CyclicBarrier

CyclicBarrier阻塞调用的线程,直到条件满足时,阻塞的线程同时被打开。

相比CountDownLatch,CyclicBarrier是可以被循环使用的,而且遇到线程中断等情况时,还可以利用reset()方法,重置计数器,从这些方面来说,CyclicBarrier会比CountDownLatch更加灵活一些

9 使用原子变量实现线程同步

有时需要使用线程同步的根本原因在于 对普通变量的操作不是原子的。那么什么是原子操作呢?

在java.util.concurrent.atomic包中提供了创建原子类型变量的工具类,使用该类可以简化线程同步。比如:其中AtomicInteger以原子方式更新int的值:

10 AbstractQueuedSynchronizer

AQS是很多同步工具类的基础,比如:ReentrantLock里的公平锁和非公平锁,Semaphore里的公平锁和非公平锁,CountDownLatch里的锁等他们的底层都是使用AbstractQueuedSynchronizer完成的。

基于AbstractQueuedSynchronizer自定义实现一个独占锁

11 使用阻塞队列实现线程同步

前面几种同步方式都是基于底层实现的线程同步,但是在实际开发当中,应当尽量远离底层结构。本节主要是使用LinkedBlockingQueue<E>来实现线程的同步。

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猿灯塔-做程序员的引导者! 2020.04.02 加入

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