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【JavaEE】【多线程】进阶知识

时间:2024-10-31 22:50:42浏览次数:6  
标签:加锁 进阶 synchronized CAS ReentrantLock JavaEE vs 线程 多线程

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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。

  1. 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;
  2. 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。

  1. 重量级锁:应对上面的锁竞争激烈的悲观情况,效率更低;
  2. 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。

  1. 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。
  2. 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。

  • 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。

  1. 比较 A 与 V 是否相等。(比较)
  2. 如果比较相等,将 B 写入 V。(交换)
  3. 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 :

  1. 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)
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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>() {
            @Override
            public 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。

标签:加锁,进阶,synchronized,CAS,ReentrantLock,JavaEE,vs,线程,多线程
From: https://blog.csdn.net/yj20040627/article/details/143192530

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