线程的同步

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了线程的同步相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

目录

一、简介

为什么需要线程同步?

二、互斥锁

验证

 互斥锁死锁

三、条件变量

验证

四、 自旋锁

自旋锁与互斥锁之间的区别:

代码编写​编辑

验证

 五、读写锁

代码编写​编辑

验证


一、简介

为什么需要线程同步?

        对于一个单线程进程来说,它不需要处理线程同步的问题,所以线程同步是在多线程环境下可能需要注意的一个问题。 线程的主要优势在于,资源的共享性,譬如通过全局变量来实现信息共享,不过这种便捷的共享是有代价的,那就是多个线程并发访问共享数据所导致的数据不一致的问题。

        线程同步是为了对共享资源的访问进行保护。 这里说的共享资源指的是多个线程都会进行访问的资源,譬如定义了一个全局变量 a,线程 1 访问了变量 a、同样在线程 2 中也访问了变量 a,那么此时变量 a 就是多个线程间的共享资源,大家都要访问它。

        保护的目的是为了解决数据一致性的问题。当一个线程可以修改的变量,其它的线程也可以读取或者修改的时候,这个时候就存在数据一致性的问题,需要对这些线程进行同步操作,确保它们在访问变量的存储内容时不会访问到无效的值

        出现数据一致性问题其本质在于进程中的多个线程对共享资源的并发访问(同时访问) 。进程中的多个线程间是并发执行的,每个线程都是系统调用的基本单元,参与到系统调度队列中;
对于多个线程间的共享资源,并发执行会导致对共享资源的并发访问,并发访问所带来的问题就是竞争(如果多个线程同时对共享资源进行访问就表示存在竞争), 并发访问就可能会出现数据一致性问题,所以就需要解决这个问题;要防止并发访问共享资源,那么就需要对共享资源的访问进行保护,防止出现并发访问共享资源。

         当一个线程修改变量时,其它的线程在读取这个变量时可能会看到不一致的值, 上图两个线程读写相同变量(共享变量、共享资源)的假设例子。在这个例子当中,线程 A 读取变量的值,然后再给这个变量赋予一个新的值,但写操作需要 2 个时钟周期(这里只是假设);当线程 B 在这两个写周期中间读取了这个变量,它就会得到不一致的值, 这就出现了数据不一致的问题

        线程同步技术,来实现同一时间只允许一个线程访问该变量,防止出现并发访问的情况、消除数据不一致的问题,如下图

        线程的主要优势在于,资源的共享性,譬如通过全局变量来实现信息共享。不过这种便捷的共享是有代价的,必须确保多个线程不会同时修改同一变量、或者某一线程不会读取正由其它线程修改的变量,也就是必须确保不会出现对共享资源的并发访问。 Linux 系统提供了多种用于实现线程同步的机制,常见的方法有:互斥锁、条件变量、自旋锁以及读写锁等

二、互斥锁

        互斥锁(mutex)又叫互斥量,从本质上说是一把锁,在访问共享资源之前对互斥锁进行上锁,在访问完成后释放互斥锁(解锁);对互斥锁进行上锁之后,任何其它试图再次对互斥锁进行加锁的线程都会被阻塞,直到当前线程释放互斥锁。如果释放互斥锁时有一个以上的线程阻塞,那么这些阻塞的线程会被唤醒,它们都会尝试对互斥锁进行加锁,当有一个线程成功对互斥锁上锁之后,其它线程就不能再次上锁了,只能再次陷入阻塞,等待下一次解锁
        就拿卫生间(共享资源)来说,当来了一个人(线程)看到卫生间没
人,然后它进去了、并且从里边把门锁住(互斥锁上锁)了;此时又来了两个人(线程),它们也想进卫生间方便,发生此时门打不开(互斥锁上锁失败),因为里边有人,所以此时它们只能等待(陷入阻塞);当里边的人使用完了之后(访问共享资源完成),把锁(互斥锁解锁)打开从里边出来,此时外边有两个人在等,当然它们都迫不及待想要进去(尝试对互斥锁进行上锁),自然两个人只能进去一个,进去的人再次把门锁住,另外一个人只能继续等待它出来。

代码编写

         创建两个线程,然后都是访问同一函数,当进入for循环语句之后某个线程获取到资源之后,该共享资源就会被上锁,另一个线程就会无法访问该资源,然后阻塞等待该资源解锁。共享资源是变量 main_count,因为多个线程都会访问它,所以需要使用互斥锁来保护它的访问

验证

 互斥锁死锁

        一个线程需要同时访问两个或更多不同的共享资源,而每个资源又由不同的互斥锁管理。当超过一个线程对同一组互斥锁(两个或两个以上的互斥锁)进行加锁时,就有可能发生死锁;譬如,程序中使用一个以上的互斥锁,如果允许一个线程一直占有第一个互斥锁,并且在试图锁住第二个互斥锁时处于阻塞状态,但是拥有第二个互斥锁的线程也在试图锁住第一个互斥锁。因为两个线程都在相互请求另一个线程拥有的资源,所以这两个线程都无法向前运行,会被一直阻塞,于是就产生了死锁

        在实际使用中需要注意该问题

三、条件变量

        条件变量是线程可用的另一种同步机制。条件变量用于自动阻塞线程,知道某个特定事件发生或某个条件满足为止,条件变量是用来等待而不是用来上锁的,条件变量本身不是锁,通常情况下,条件变量是和互斥锁一起搭配使用的。 使用条件变量主要包括两个动作:
⚫ 一个线程等待某个条件满足而被阻塞;
⚫ 另一个线程中,条件满足时发出“信号”

        例子, 生产者---消费者模式,生产者这边负责生产产品、而消费者负责消费产品,对于消费者来说,没有产品的时候只能等待产品出来,有产品就使用它。

         创建一个线程,在进入线程函数后,先上锁,判断main_avail资源是否有货,没有则通过 pthread_cond_wait() 函数释放互斥锁并等待生产者线程的信号,该函数会先解锁、等待条件满足、重新上锁,这是原子操作,等待生产者线程发送信号之后,会重新获取互斥锁mutex并继续执行while循环。在获取互斥锁之后,消费者线程会再次判断main_avail的值,如果main_avail仍然小于等于0,则继续等待信号;否则就进入第二个while循环开始消费资源。

        在生产者线程(主线程)中,先上锁生产,然后解锁给消费者发送信号说货

        在这里加sleep是为了打印信息的时候慢一些

验证

四、 自旋锁

        自旋锁与互斥锁很相似, 从本质上说也是一把锁,在访问共享资源之前对自旋锁进行上锁,在访问完成后释放自旋锁(解锁);事实上,从实现方式上来说,互斥锁是基于自旋锁来实现的,所以自旋锁相较于互斥锁更加底层。

        如果在获取自旋锁时, 自旋锁处于未锁定状态, 那么将立即获得锁(对自旋锁上锁); 如果在获取自旋锁时,自旋锁已经处于锁定状态了,那么获取锁操作将会在原地“自旋”, 直到该自旋锁的持有者释放了锁。由此可知,自旋锁与互斥锁相似, 但是互斥锁在无法获取到锁时会让线程陷入阻塞等待状态;而自旋锁在无法获取到锁时, 将会在原地“自旋”等待。 “自旋” 其实就是调用者一直在循环查看该自旋锁的持有者是否已经释放了锁,“自旋”一词因此得名。

        自旋锁的不足之处在于:自旋锁一直占用的 CPU,它在未获得锁的情况下,一直处于运行状态(自旋),所以占着 CPU,如果不能在很短的时间内获取锁,这无疑会使 CPU 效率降低。
        试图对同一自旋锁加锁两次必然会导致死锁,而试图对同一互斥锁加锁两次不一定会导致死锁,原因在于互斥锁有不同的类型,当设置为 PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK 类型时,会进行错误检查, 第二次加锁会返回错误, 所以不会进入死锁状态。

        谨慎使用自旋锁,自旋锁通常用于以下情况: 需要保护的代码段执行时间很短,这样就会使
得持有锁的线程会很快释放锁,而“自旋”等待的线程也只需等待很短的时间;在这种情况下就比较适合使用自旋锁,效率高!

自旋锁与互斥锁之间的区别:

       ①实现方式上的区别:互斥锁是基于自旋锁而实现的,所以自旋锁相较于互斥锁更加底层;
       ②开销上的区别:获取不到互斥锁会陷入阻塞状态(休眠) ,直到获取到锁时被唤醒;而获取不到自旋锁会在原地“自旋”,直到获取到锁; 休眠与唤醒开销是很大的, 所以互斥锁的开销要远高于自旋锁、 自旋锁的效率远高于互斥锁; 但如果长时间的“自旋”等待,会使得 CPU 使用效率降低,故自旋锁不适用于等待时间比较长的情况。

       ③使用场景的区别: 自旋锁在用户态应用程序中使用的比较少, 通常在内核代码中使用比较多;因为自旋锁可以在中断服务函数中使用,而互斥锁则不行,在执行中断服务函数时要求不能休眠、不能被抢占(内核中使用自旋锁会自动禁止抢占) , 一旦休眠意味着执行中断服务函数时主动交出了CPU 使用权,休眠结束时无法返回到中断服务函数中,这样就会导致死锁

代码编写

       和互斥锁的代码差不多,在创建两个线程前初始化自旋锁PTHREAD_PROCESS_PRIVATE为私有自旋锁。只有本进程内的线程才能够使用该自旋锁。创建两个线程访问同一函数,当某一个线程进入循环后先上锁运算,之后再开锁,最后打印信息并销毁锁

验证

 五、读写锁

        互斥锁或自旋锁要么是加锁状态、要么是不加锁状态,而且一次只有一个线程可以对其加锁。读写锁有3 种状态:读模式下的加锁状态(以下简称读加锁状态)、写模式下的加锁状态(以下简称写加锁状态)和不加锁状态(见) ,一次只有一个线程可以占有写模式的读写锁,但是可以有多个线程同时占有读模式的读写锁。因此可知,读写锁比互斥锁具有更高的并行性

读写锁有如下两个规则:
⚫ 当读写锁处于写加锁状态时,在这个锁被解锁之前,所有试图对这个锁进行加锁操作(不管是以读模式加锁还是以写模式加锁) 的线程都会被阻塞。
⚫ 当读写锁处于读加锁状态时,所有试图以读模式对它进行加锁的线程都可以加锁成功;但是任何以写模式对它进行加锁的线程都会被阻塞,直到所有持有读模式锁的线程释放它们的锁为止。

        当读写锁处于读模式加锁状态,而这时有一个线程试图以写模式获取锁时, 该线程会被阻塞;而如果另一线程以读模式获取锁,则会成功获取到锁,对共享资源进行读操作。所以,读写锁非常适合于对共享数据读的次数远大于写的次数的情况。当读写锁处于写模式加锁状态时,它所保护的数据可以被安全的修改,因为一次只有一个线程可以在写模式下拥有这个锁;当读写锁处于
读模式加锁状态时,它所保护的数据就可以被多个获取读模式锁的线程读取。 所以在应用程序当中,使用读写锁实现线程同步, 当线程需要对共享数据进行读操作时,需要先获取读模式锁(对读模式锁进行加锁),当读取操作完成之后再释放读模式锁(对读模式锁进行解锁);当线程需要对共享数据进行写操作时,需要先获取到写模式锁,当写操作完成之后再释放写模式锁

        读写锁也叫做共享互斥锁。当读写锁是读模式锁住时,就可以说成是共享模式锁住。当它是写模式锁住时,就可以说成是互斥模式锁住

代码编写

         使用了读写锁来保护一个共享变量main_count,并启动了5个读线程和5个写线程来对该变量进行读写操作。每个读线程执行10次循环,每次获取读锁后打印main_count的值,每次循环间隔1秒。每个写线程执行10次循环,每次获取写锁后将main_count的值加20,打印修改后的值,每次循环间隔1秒。退出就所有线程结束后销毁读写锁。

验证

         在多线程程序中,线程的执行顺序是不确定的,取决于操作系统的调度算法。虽然程序中线程的创建顺序是固定的,但是它们的执行顺序却是随机的。所以,在这个程序中,读写线程的打印顺序可能会与创建线程的顺序不一样。所以看起来打印的顺序并不是按照线程创建的顺序来的。

线程的线程的同步

参考技术A

线程的同步是Java多线程编程的难点,往往开发者搞不清楚什么是竞争资源、什么时候需要考虑同步,怎么同步等等问题,当然,这些问题没有很明确的答案,但有些原则问题需要考虑,是否有竞争资源被同时改动的问题?对于同步,在具体的Java代码中需要完成以下两个操作:把竞争访问的资源标识为private;同步哪些修改变量的代码,使用synchronized关键字同步方法或代码。当然这不是唯一控制并发安全的途径。synchronized关键字使用说明synchronized只能标记非抽象的方法,不能标识成员变量。为了演示同步方法的使用,构建了一个信用卡账户,起初信用额为100w,然后模拟透支、存款等多个操作。显然银行账户User对象是个竞争资源,而多个并发操作的是账户方法oper(int x),当然应该在此方法上加上同步,并将账户的余额设为私有变量,禁止直接访问。
工作原理
线程是进程中的实体,一个进程可以拥有多个线程,一个线程必须有一个父进程。线程不拥有系统资源,只有运行必须的一些数据结构;它与父进程的其它线程共享该进程所拥有的全部资源。线程可以创建和撤消线程,从而实现程序的并发执行。一般,线程具有就绪、阻塞和运行三种基本状态。
在多中央处理器的系统里,不同线程可以同时在不同的中央处理器上运行,甚至当它们属于同一个进程时也是如此。大多数支持多处理器的操作系统都提供编程接口来让进程可以控制自己的线程与各处理器之间的关联度(affinity)。
有时候,线程也称作轻量级进程。就象进程一样,线程在程序中是独立的、并发的执行路径,每个线程有它自己的堆栈、自己的程序计数器和自己的局部变量。但是,与分隔的进程相比,进程中的线程之间的隔离程度要小。它们共享内存、文件句柄和其它每个进程应有的状态。
进程可以支持多个线程,它们看似同时执行,但互相之间并不同步。一个进程中的多个线程共享相同的内存地址空间,这就意味着它们可以访问相同的变量和对象,而且它们从同一堆中分配对象。尽管这让线程之间共享信息变得更容易,但您必须小心,确保它们不会妨碍同一进程里的其它线程。
Java 线程工具和 API看似简单。但是,编写有效使用线程的复杂程序并不十分容易。因为有多个线程共存在相同的内存空间中并共享相同的变量,所以您必须小心,确保您的线程不会互相干扰。
线程属性
为了正确有效地使用线程,必须理解线程的各个方面并了解Java 实时系统。必须知道如何提供线程体、线程的生命周期、实时系统如 何调度线程、线程组、什么是幽灵线程(Demo nThread)。
线程体
所有的操作都发生在线程体中,在Java中线程体是从Thread类继承的run()方法,或实现Runnable接口的类中的run()方法。当线程产生并初始化后,实时系统调用它的run()方法。run()方法内的代码实现所产生线程的行为,它是线程的主要部分。
线程状态
附图表示了线程在它的生命周期内的任何时刻所能处的状态以及引起状态改变的方法。这图并不是完整的有限状态图,但基本概括了线程中比较感兴趣和普遍的方面。以下讨论有关线程生命周期以此为据。
●新线程态(New Thread)
产生一个Thread对象就生成一个新线程。当线程处于新线程状态时,仅仅是一个空线程对象,它还没有分配到系统资源。因此只能启动或终止它。任何其他操作都会引发异常。例如,一个线程调用了new方法之后,并在调用start方法之前的处于新线程状态,可以调用start和stop方法。
●可运行态(Runnable)
start()方法产生运行线程所必须的资源,调度线程执行,并且调用线程的run()方法。在这时线程处于可运行态。该状态不称为运行态是因为这时的线程并不总是一直占用处理机。特别是对于只有一个处理机的PC而言,任何时刻只能有一个处于可运行态的线程占用处理 机。Java通过调度来实现多线程对处理机的共享。注意,如果线程处于Runnable状态,它也有可能不在运行,这是因为还有优先级和调度问题。
●阻塞/非运行态(Not Runnable)
当以下事件发生时,线程进入非运行态。

①suspend()方法被调用;
②sleep()方法被调用;
③线程使用wait()来等待条件变量;
④线程处于I/O请求的等待。
●死亡态(Dead)
当run()方法返回,或别的线程调用stop()方法,线程进入死亡态。通常Applet使用它的stop()方法来终止它产生的所有线程。
线程的本操作:
派生:线程在进程内派生出来,它即可由进程派生,也可由线程派生。
阻塞(Block):如果一个线程在执行过程中需要等待某个事件发生,则被阻塞。
激活(unblock):如果阻塞线程的事件发生,则该线程被激活并进入就绪队列。
调度(schedule):选择一个就绪线程进入执行状态。
结束(Finish):如果一个线程执行结束,它的寄存器上下文以及堆栈内容等将被释放。
图2 线程的状态与操作
线程的另一个执行特性是同步。线程中所使用的同步控制机制与进程中所使用的同步控制机制相同。
线程优先级
虽然我们说线程是并发运行的。然而事实常常并非如此。正如前面谈到的,当系统中只有一个CPU时,以某种顺序在单CPU情况下执行多线程被称为调度(scheduling)。Java采用的是一种简单、固定的调度法,即固定优先级调度。这种算法是根据处于可运行态线程的相对优先级来实行调度。当线程产生时,它继承原线程的优先级。在需要时可对优先级进行修改。在任何时刻,如果有多条线程等待运行,系统选择优先级最高的可运行线程运行。只有当它停止、自动放弃、或由于某种原因成为非运行态低优先级的线程才能运行。如果两个线程具有相同的优先级,它们将被交替地运行。 Java实时系统的线程调度算法还是强制性的,在任何时刻,如果一个比其他线程优先级都高的线程的状态变为可运行态,实时系统将选择该线程来运行。一个应用程序可以通过使用线程中的方法setPriority(int),来设置线程的优先级大小。
有线程进入了就绪状态,需要有线程调度程序来决定何时执行,根据优先级来调度。
线程中的join()可以用来邀请其他线程先执行(示例代码如下):
packageorg.thread.test;publicclassJoin01implementsRunnablepublicstaticvoidmain(String[]args)for(inti=0;i<20;i++)if(i==5)Join01j=newJoin01();Threadt=newThread(j);t.setName(被邀请先执行的线程.);t.start();try//邀请这个线程,先执行t.join();catch(InterruptedExceptione)e.printStackTrace();System.out.println(没被邀请的线程。+(i+1));publicvoidrun()for(inti=0;i<10;i++)System.out.println(Thread.currentThread().getName()+(i+1));
yield()告诉系统把自己的CPU时间让掉,让其他线程或者自己运行,示例代码如下:
packageorg.thread.test;
publicclassYield01

publicstaticvoidmain(String[]args)

YieldFirstyf=newYieldFirst();
YieldSecondys=newYieldSecond();
YieldThirdyt=newYieldThird();
yf.start();ys.start();yt.start();


classYieldFirstextendsThread

@Overridepublicvoidrun()

for(inti=0;i<10;i++)

System.out.println(第一个线程第+(i+1)+次运行.);//让当前线程暂停yield();



classYieldSecondextendsThread

@Overridepublicvoidrun()

for(inti=0;i<10;i++)

System.out.println(第二个线程第+(i+1)+次运行.);//让当前线程暂停yield();
<a href=mailto:classYieldThirdextendsThread@Overridepublicvoidrun()for(inti=0;i


classYieldThirdextendsThread

@Overridepublicvoidrun()for(inti=0;i<10;i++)

System.out.println(第三个线程第+(i+1)+次运行.);//让当前线程暂停yield();


幽灵线程
任何一个Java线程都能成为幽灵线程。它是作为运行于同一个进程内的对象和线程的服务提供者。例如,HotJava浏览器有一个称为 后台图片阅读器的幽灵线程,它为需要图片的对象和线程从文件系统或网络读入图片。 幽灵线程是应用中典型的独立线程。它为同一应用中的其他对象和线程提供服务。幽灵线程的run()方法一般都是无限循环,等待服务请求。
线程组
每个Java线程都是某个线程组的成员。线程组提供一种机制,使得多个线程集于一个对象内,能对它们实行整体操作。譬如,你能用一个方法调用来启动或挂起组内的所有线程。Java线程组由ThreadGroup类实现。
当线程产生时,可以指定线程组或由实时系统将其放入某个缺省的线程组内。线程只能属于一个线程组,并且当线程产生后不能改变它所属的线程组。
多线程
对于多线程的好处这就不多说了。但是,它同样也带来了某些新的麻烦。只要在设计程序时特别小心留意,克服这些麻烦并不算太困难。在生成线程时必须将线程放在指定的线程组,也可以放在缺省的线程组中,缺省的就是生成该线程的线程所在的线程组。一旦一个线程加入了某个线程组,不能被移出这个组。
同步线程
许多线程在执行中必须考虑与其他线程之间共享数据或协调执行状态。这就需要同步机制。在Java中每个对象都有一把锁与之对应。但Java不提供单独的lock和unlock操作。它由高层的结构隐式实现,来保证操作的对应。(然而,我们注意到Java虚拟机提供单独的monito renter和monitorexit指令来实现lock和
unlock操作。) synchronized语句计算一个对象引用,试图对该对象完成锁操作,并且在完成锁操作前停止处理。当锁操作完成synchronized语句体得到执行。当语句体执行完毕(无论正常或异常),解锁操作自动完成。作为面向对象的语言,synchronized经常与方法连用。一种比较好的办法是,如果某个变量由一个线程赋值并由别的线程引用或赋值,那么所有对该变量的访问都必须在某个synchromized语句或synchronized方法内。
现在假设一种情况:线程1与线程2都要访问某个数据区,并且要求线程1的访问先于线程2,则这时仅用synchronized是不能解决问题的。这在Unix或Windows NT中可用Simaphore来实现。而Java并不提供。在Java中提供的是wait()和notify()机制。使用如下:
synchronizedmethod_1(/*……*/)//calledbythread1.//accessdataareaavailable=true;notify();synchronizedmethod_2(/*……*/)//calledbythread2.while(!available)trywait();//waitfornotify().catch(InterruptedExceptione)//accessdataarea
其中available是类成员变量,置初值为false。
如果在method-2中检查available为假,则调用wait()。wait()的作用是使线程2进入非运行态,并且解锁。在这种情况下,method-1可以被线程1调用。当执行notify()后。线程2由非运行态转变为可运行态。当method-1调用返回后。线程2可重新对该对象加锁,加锁成功后执行wait()返回后的指令。这种机制也能适用于其他更复杂的情况。
死锁
如果程序中有几个竞争资源的并发线程,那么保证均衡是很重要的。系统均衡是指每个线程在执行过程中都能充分访问有限的资源。系统中没有饿死和死锁的线程。Java并不提供对死锁的检测机制。对大多数的Java程序员来说防止死锁是一种较好的选择。最简单的防止死锁的方法是对竞争的资源引入序号,如果一个线程需要几个资源,那么它必须先得到小序号的资源,再申请大序号的资源。
优化
Java的多线程安全是基于Lock机制实现的,而Lock的性能往往不如人意。原因是,monitorenter与monitorexit这两个控制多线程同步的bytecode原语,是JVM依赖操作系统互斥(mutex)来实现的。而互斥是一种会导致线程挂起,并在较短的时间内又需要重新调度回原线程的,较为消耗资源的操作。所以需要进行对线程进行优化,提高效率。
轻量级锁
轻量级锁(Lightweight Locking)是从Java6开始引入的概念,本意是为了减少多线程进入互斥的几率,并不是要替代互斥。它利用了CPU原语Compare-And-Swap(CAS,汇编指令CMPXCHG),尝试在进入互斥前,进行补救。下面将详细介绍JVM如何利用CAS,实现轻量级锁。
Java Object Model中定义,Object Header是一个2字(1 word = 4 byte)长度的存储区域。第一个字长度的区域用来标记同步,GC以及hash code等,官方称之为 mark word。第二个字长度的区域是指向到对象的Class。在2个word中,mark word是轻量级锁实现的关键,其结构见右表。
从表中可以看到,state为lightweight locked的那行即为轻量级锁标记。bitfieds名为指向lock record的指针,这里的lock record,其实是一块分配在线程堆栈上的空间区域。用于CAS前,拷贝object上的mark word。第三项是重量级锁标记。后面的状态单词很有趣,inflated,译为膨胀,在这里意思其实是锁已升级到OS-level。一般我们只关注第二和第三项即可。lock,unlock与mark word之间的联系如右图所示。在图中,提到了拷贝object mark word,由于脱离了原始mark word,官方将它冠以displaced前缀,即displaced mark word(置换标记字)。这个displaced mark word是整个轻量级锁实现的关键,在CAS中的compare就需要用它作为条件。
在拷贝完object mark word之后,JVM做了一步交换指针的操作,即流程中第一个橙色矩形框内容所述。将object mark word里的轻量级锁指针指向lock record所在的stack指针,作用是让其他线程知道,该object monitor已被占用。lock record里的owner指针指向object mark word的作用是为了在接下里的运行过程中,识别哪个对象被锁住了。
最后一步unlock中,我们发现,JVM同样使用了CAS来验证object mark word在持有锁到释放锁之间,有无被其他线程访问。如果其他线程在持有锁这段时间里,尝试获取过锁,则可能自身被挂起,而mark word的重量级锁指针也会被相应修改。此时,unlock后就需要唤醒被挂起的线程。
偏向锁
Java偏向锁(Biased Locking)是Java 6引入的一项多线程优化。它通过消除资源无竞争情况下的同步原语,进一步提高了程序的运行性能。它与轻量级锁的区别在于,轻量级锁是通过CAS来避免进入开销较大的互斥操作,而偏向锁是在无竞争场景下完全消除同步,连CAS也不执行(CAS本身仍旧是一种操作系统同步原语,始终要在JVM与OS之间来回,有一定的开销)。所谓的无竞争场景,就是单线程访问带同步的资源或方法。
偏向锁,顾名思义,它会偏向于第一个访问锁的线程,如果在接下来的运行过程中,该锁没有被其他的线程访问,则持有偏向锁的线程将永远不需要触发同步。如果在运行过程中,遇到了其他线程抢占锁,则持有偏向锁的线程会被挂起,JVM会尝试消除它身上的偏向锁,将锁恢复到标准的轻量级锁。(偏向锁只能在单线程下起作用)。
偏向模式和非偏向模式,在mark word表中,主要体现在thread ID字段是否为空。
挂起持有偏向锁的线程,这步操作类似GC的pause,但不同之处是,它只挂起持有偏向锁的线程(非当前线程)。
在抢占模式的橙色区域说明中有提到,指向当前堆栈中最近的一个lock record(在轻量级锁中,lock record是进入锁前会在stack上创建的一份内存空间)。这里提到的最近的一个lock record,其实就是当前锁所在的stack frame上分配的lock record。整个步骤是从偏向锁恢复到轻量级锁的过程。
偏向锁也会带来额外开销。在JDK6中,偏向锁是默认启用的。它提高了单线程访问同步资源的性能。
但试想一下,如果你的同步资源或代码一直都是多线程访问的,那么消除偏向锁这一步骤对你来说就是多余的。事实上,消除偏向锁的开销还是蛮大的。所以在你非常熟悉自己的代码前提下,大可禁用偏向锁 -XX:-UseBiasedLocking。
分类
线程有两个基本类型:
用户级线程:管理过程全部由用户程序完成,操作系统内核心只对进程进行管理。
系统级线程(核心级线程):由操作系统内核进行管理。操作系统内核给应用程序提供相应的系统调用和应用程序接口API,以使用户程序可以创建、执行、撤消线程。
举例UNIX International 线程
UNIX International 线程的头文件是<thread.h> ,仅适用于Sun Solaris操作系统。所以UNIX International线程也常被俗称为Solaris线程。
1.创建线程
intthr_create(void*stack_base,size_tstack_size,void*(*start_routine)(void*),void*arg,longflags,thread_t*new_thr);
2.等待线程
intthr_join(thread_twait_for,thread_t*dead,void**status);
3.挂起线程
intthr_suspend(thread_tthr);
4.继续线程
intthr_continue(thread_tthr);
5.退出线程
voidthr_exit(void*status);
6.返回当前线程的线程标识符
thread_tthr_self(void);POSIX线程
POSIX线程(Pthreads)的头文件是<pthread.h>,适用于类Unix操作系统。Windows操作系统并没有对POSIX线程提供原生的支持库。不过Win32的POSIX线程库的一些实现也还是有的,例如pthreads-w32 。
1.创建线程
intpthread_create(pthread_t*thread,constpthread_attr_t*attr,void*(*start_routine)(void*),void*arg);
2.等待线程
intpthread_join(pthread_tthread,void**retval);
3.退出线程
voidpthread_exit(void*retval);
4.返回当前线程的线程标识符
pthread_tpthread_self(void);
5.线程取消
intpthread_cancel(pthread_tthread);Win32线程
Win32线程的头文件是<Windows.h>,适用于Windows操作系统。
1.创建线程
HANDLEWINAPICreateThread(LPSECURITY_ATTRIBUTESlpThreadAttributes,SIZE_TdwStackSize,LPTHREAD_START_ROUTINElpStartAddress,LPVOIDlpParameter,DWORDdwCreationFlags,LPDWORDlpThreadId);
2.结束本线程
VOIDWINAPIExitThread(DWORDdwExitCode);
3.挂起指定的线程
DWORDWINAPISuspendThread(HANDLEhThread);
4.恢复指定线程运行
DWORDWINAPIResumeThread(HANDLEhThread);
5.等待线程运行完毕
DWORDWINAPIWaitForSingleObject(HANDLEhHandle,DWORDdwMilliseconds);
6.返回当前线程的线程标识符
DWORDWINAPIGetCurrentThreadId(void);
7.返回当前线程的线程句柄
HANDLEWINAPIGetCurrentThread(void);C++ 11 线程
C++ 11 线程的头文件是<thread>。 创建线程
std::thread::thread(Function&& f, Args&&... args); 等待线程结束
std::thread::join(); 脱离线程控制
std::thread::detach(); 交换线程
std::thread::swap( thread& other ); C 11 线程
C11线程的头文件是<threads.h>。
C11线程仅仅是个“建议标准”,也就是说100%遵守C11标准的C编译器是可以不支持C11线程的。根据C11标准的规定,只要编译器预定义了__STDC_NO_THREADS__宏,就可以没有<threads.h>头文件,自然也就也没有下列函数。
1.创建线程
intthrd_create(thrd_t*thr,thrd_start_tfunc,void*arg);
2.结束本线程
_Noreturnvoidthrd_exit(intres);
3.等待线程运行完毕
intthrd_join(thrd_tthr,int*res);
4.返回当前线程的线程标识符
thrd_tthrd_current();Java线程
1)最简单的情况是,Thread/Runnable的run()方法运行完毕,自行终止。
2)对于更复杂的情况,比如有循环,则可以增加终止标记变量和任务终止的检查点。
3)最常见的情况,也是为了解决阻塞不能执行检查点的问题,用中断来结束线程,但中断只是请求,并不能完全保证线程被终止,需要执行线程协同处理。
4)IO阻塞和等锁情况下需要通过特殊方式进行处理。
5)使用Future类的cancel()方法调用。
6)调用线程池执行器的shutdown()和shutdownNow()方法。
7)守护线程会在非守护线程都结束时自动终止。
8)Thread的stop()方法,但已不推荐使用。
线程的组成
1)一组代表处理器状态的CPU寄存器中的内容
2)两个栈,一个用于当线程在内核模式下执行的时候,另一个用于线程在用户模式下执行的时候
3)一个被称为线程局部存储器(TLS,thread-local storage)的私有储存区域,各个子系统、运行库和DLL都会用到该储存区域
4)一个被称为线程ID(thread ID,线程标识符)的唯一标识符(在内部也被称为客户ID——进程ID和线程ID是在同一个名字空间中生产的,所以它们永远 不会重叠)
5)有时候线程也有它们自己的安全环境,如果多线程服务器应用程序要模仿其客户的安全环境,则往往可以利用线程的安全环境

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