JAVA 并发性和多线程 -- 读感 (二 线程间通讯，共享内存的机制)

Posted 2020-10-25 edenpan

参考文章：http://ifeve.com/java-concurrency-thread-directory/ 

其中的竞态，线程安全，内存模型，线程间的通信，java ThreadLocal类小节部分内容。

• 1.目录略览

     线程的基本概念：介绍线程的优点，代价，并发编程的模型。如何创建运行java 线程。

     线程间通讯，共享内存的机制：竞态条件与临界区，线程安全和共享资源与不可变性。java内存模型，线程间的通信，java ThreadLocal类，线程信号

     死锁相关，资源竞争相关：死锁，如何避免死锁，饥饿和公平，嵌套管程锁死，Slipped conditions(从一个线程检查某一特定条件到该线程操作此条件期间，这个条件已经被其它线程改变，导致第一个线程在该条件上执行了错误的操作),锁，读锁和写锁，重入写死，信号量，阻塞队列，线程池，CAS(compare and swap 理论)，同步器，无阻塞算法，阿姆达尔定律(计算处理器平行运算之后效率提升的能力)。 

 

• 2.竞态条件与临界区

     当多个线程访问了相同的资源，并且对这些资源做了写操作的时候，是不安全的。资源可以代表：同一内存区（变量，数组或者对象），系统(数据库，web services)或文件。

     对于一个简单的加法操作     this.count = this.count + value，JVM执行指令的顺序应该是：

     从内存获取 this.count 值放到寄存器

     将寄存器的值添加value    

     将寄存器的值写会内存

     如果两个线程 交叉执行，一个线程加2 一个线程加3，可能最后的结果不是5，而是2 或者3.

     竞态条件：两个线程竞争同一个资源时，如果对资源访问顺序敏感，就存在竞态条件。

     临界区：导致竞态条件发生的代码区成为临界区。

     在临界区适当的同步可以避免竞态条件。  

• 3.线程安全与共享资源

     允许被多个线程同时执行的代码称为线程安全的代码。线程安全的代码不包含竞态条件。

     1.局部变量

     1.1局部基本类型变量 是存储在线程自己的栈中的，所以基础类型的局部变量是线程安全的。

     1.2.局部对象引用 引用所指向的对象没有存储到线程的栈内。所有的对象都在共享堆中。

     两段代码，不管是基础类型还是引用对象，它们都是局部变量，由于都没有被其他线程获取，是线程安全的。

public void someMethod(){
    long threadSafeInt = 0;
    threadSafeInt++;
}

public void someMethod(){
    LocalObject localObject = new LocalObject();
    localObject.callMethod();
    method2(localObject);
}

public void method2(LocalObject localObject){
    localObject.setValue("value");
}

     2.对象成员

     对象成员是存储在堆上。如果两个线程同时更新同一个对象的同一成员，这个代码就是线程不安全的。

public class NotThreadSage{
    StringBuilder builder = New StringBuilder();
    public add(String text) {
        this.builder.append(text);
    }
}

      线程控制逃逸判断

           一个资源的创建，使用销毁都在同一个线程内完成，且永远不会脱离该线程的控制。

           即使对象本身线程安全，但是该对象中包含的其他的资源，也许整体的应用不是线程安全的。

      3.线程安全及不可变性

     immutable 和 read only 的差别：当一个变量是只读的时候，变量的值不可改变，但是可以在其他变量发生改变的时候发生改变。而不变 是不会改变的。

•      4.java 内存模型

     java内存模型规范了java虚拟机与计算机内存如何协同工作的。

      

 

      每个java虚拟机的线程都拥有自己的线程栈，包括了这个线程调用的方法当前执行点的相关信息。一个线程只能访问自己的线程栈。本地变量只对当前线程可见。

          

 

     对象是放在堆上。

     每个线程都有自己的线程栈，如果是基本类型的变量，直接存放在线程栈中，如果是对象的引用，那么引用地址会放在线程栈中，而对象会在堆中，这样有可能存在两个线程同时引用相同的对象。

     

public class MyRunnable implements Runnable() {

    public void run() {
        methodOne();
    }

    public void methodOne() {
        int localVariable1 = 45;

        MySharedObject localVariable2 =
            MySharedObject.sharedInstance;

        //... do more with local variables.

        methodTwo();
    }

    public void methodTwo() {
        Integer localVariable1 = new Integer(99);

        //... do more with local variable.
    }
}


public class MySharedObject {

    //static variable pointing to instance of MySharedObject

    public static final MySharedObject sharedInstance =
        new MySharedObject();


    //member variables pointing to two objects on the heap

    public Integer object2 = new Integer(22);
    public Integer object4 = new Integer(44);

    public long member1 = 12345;
    public long member1 = 67890;
}

 

 

两个线程启动后，Object3就是 MySharedObject，而Object2，Object4 是    MySharedObject中的 object2 和 Object4.

     现代硬件内存架构

     

 

     Java内存模型和硬件内存架构之间的桥接

     

 

          硬件内存架构中没有区分线程栈和堆。对于硬件所有线程栈和堆都是分布在主存中。部分线程栈和堆可能出现在CPU缓存和CPU内部的寄存器中。

          当对象和变量被存放在计算机不同的内存区域中时，会有一些问题：

          1.线程对共享变量修改的可见性。— 两个线程分布运行在不同的CPU上时，线程的部分变量没有刷新回主存，此时可能会导致不同步。可以使用 volatile 来避免。

          2.当读，写和检查共享变量时出现race conditions。多个线程同时修改共享内存的值，如下图：

         

 

          可以使用java同步块，这样同一时刻只能有一个线程可以进入代码的临界区。同步块还可以保证代码块中所有被访问的变量从主存中读入，当线程退出同步块时，所有被更新的变量也会被刷新回主存中，无论该变量是否被声明为volatile.

          5.java 同步块

          java同步块 (synchronized block) 用来标记方法或者代码块是同步的。用来避免竞争。

          java同步关键字:synchronized 所有其他等待进入该同步块的线程将被阻塞，直到执行该同步块的线程退出。     

          四种不同的同步块：

          实例方法；静态方法；实例方法中的同步块；静态方法中的同步块。——都是方法上的同步块。     

          实例方法同步：

  public synchronized void add(int value){
      this.count += value;
  }

     　　每个实例其方法同步都是同步在不同的对象上。这样每个实例方法同步都同步在不同的对象上，即该方法所属的实例，只有一个线程可以在实例方法同步块中运行。一个实例一个线程。

          静态方法同步：

public static synchronized void add(int value){
    count += value;
}

          静态方法同步是指同步在该方法上所在的类对象上的。java虚拟机中一个类只能对应一个类对象，所以同时只允许一个线程执行同一个类中的静态同步方法。不管类中的哪个静态同步方法被调用，一个类只能由一个线程同时执行。          

          实例方法中同步块:

  public void add(int value){
    synchronized(this){
       this.count += value;   
    }
  }

          示例中使用的this 是代表的调用add方法的实例本身。在同步构造器中用括号括起来的对象叫做监视器对象。

          静态方法中同步块:

public class MyClass {

    public static synchronized void log1(String msg1, String msg2){
       log.writeln(msg1);
       log.writeln(msg2);
    }

 
    public static void log2(String msg1, String msg2){
       synchronized(MyClass.class){
          log.writeln(msg1);
          log.writeln(msg2); 
       }
    }
  }

          两个方法不允许同时被线程访问。

          如果第二个同步块不是同步在MyClass.class这个同步器上，这两个方法可以同时被线程访问。

 

          java同步示例:

          

 

 public class Counter{
     
     long count = 0;
   
     public synchronized void add(long value){
       this.count += value;
     }
  }
 
 
  public class CounterThread extends Thread{

     protected Counter counter = null;

     public CounterThread(Counter counter){
        this.counter = counter;
     }

     public void run() {
        for(int i=0; i<10; i++){
           counter.add(i);
        }
     }
  }
  public class Example {

    public static void main(String[] args){
      Counter counter = new Counter();
      Thread  threadA = new CounterThread(counter);
      Thread  threadB = new CounterThread(counter);

      threadA.start();
      threadB.start(); 
    }
  }

 

 

          由于两个线程都是共用一个counter实例，所以add()被调用的时候是同步的，只有一个线程可以调用，另外一个需要等待。

  public class Example {

    public static void main(String[] args){
      Counter counterA = new Counter();
      Counter counterB = new Counter();
      Thread  threadA = new CounterThread(counterA);
      Thread  threadB = new CounterThread(counterB);

      threadA.start();
      threadB.start(); 
    }
  }

　　　这个时候两个线程就可以同时调用add()方法，因为它们分别在不同的实例中。

 

• 6.线程通信

     线程通信的目的是使线程间可以互相发送信号。

     方式：

     1.通过共享对象通信

      

public class MySignal{

  protected boolean hasDataToProcess = false;

  public synchronized boolean hasDataToProcess(){
    return this.hasDataToProcess;
  }

  public synchronized void setHasDataToProcess(boolean hasData){
    this.hasDataToProcess = hasData; 
  }

}

　　两个线程获得指向一个MySingal共享实例的引用，以便通信。同时获取变量的方法设置为同步方法，防止线程不一致。

 

　　2.忙等待(Busy Wait)

protected MySignal sharedSignal = ...

...

while(!sharedSignal.hasDataToProcess()){
  //do nothing... busy waiting
}

 　  线程B一直在等待数据。但是感觉这里和前面获取共享变量是一个原理。

 

 　　3.wait(),notify()和 notifyAll()

　　wait()调用后就处于非运行状态，直到另外一个线程调用了同一个对象的notify()方法。同时线程必须获取这个对象的锁才能调用。

     

public class MonitorObject{
}

public class MyWaitNotify{

  MonitorObject myMonitorObject = new MonitorObject();

  public void doWait(){
    synchronized(myMonitorObject){
      try{
        myMonitorObject.wait();
      } catch(InterruptedException e){...}
    }
  }

  public void doNotify(){
    synchronized(myMonitorObject){
      myMonitorObject.notify();
    }
  }
}

     调用这个对象的notify() 的时候，有一个wait的线程会被随机唤醒，同时也有一个notifyAll()方法来唤醒所有线程。

     一旦线程调用了wait()方法，就释放了所持有的监视器对象上的锁，就允许了其他线程也可以调用wait()或者notify().同时一个线程被唤醒不是立刻就退出wait()的方法，直到调用notify()的线程退出了自己的同步块。

     4.丢失信号

          由于notify()和notifyAll()不会保存调用它们的方法，他们发送的信号如果在wait()之前就有可能丢失，这个时候必须把他们保存在信号类里。

　　

public class MyWaitNotify2{

  MonitorObject myMonitorObject = new MonitorObject();
  boolean wasSignalled = false;

  public void doWait(){
    synchronized(myMonitorObject){
      if(!wasSignalled){
        try{
          myMonitorObject.wait();
         } catch(InterruptedException e){...}
      }
      //clear signal and continue running.
      wasSignalled = false;
    }
  }

  public void doNotify(){
    synchronized(myMonitorObject){
      wasSignalled = true;
      myMonitorObject.notify();
    }
  }
}

     应该就是借助一个变量来记录是否调用过Notify()。

 

　　5.假唤醒 

          有时由于莫名其妙的原因，线程可能在没有掉用过notify()和 notifyAll()的情况下醒来。防止假唤醒，保存信号的成员变量会检查是否是自己的信号，如果不是的话，就继续wait()。

         

public class MyWaitNotify3{

  MonitorObject myMonitorObject = new MonitorObject();
  boolean wasSignalled = false;

  public void doWait(){
    synchronized(myMonitorObject){
      while(!wasSignalled){
        try{
          myMonitorObject.wait();
         } catch(InterruptedException e){...}
      }
      //clear signal and continue running.
      wasSignalled = false;
    }
  }

  public void doNotify(){
    synchronized(myMonitorObject){
      wasSignalled = true;
      myMonitorObject.notify();
    }
  }
}

　　6.多个线程等待相同信号

              while 循环也可以解决当多线程在等待时，只需要唤醒一个线程，并且是使用nitifyAll()来唤醒的情况。

　　7.不要在字符串常量或全局对象中调用wait()

               就是导致假唤醒的原因之一，并且可能会导致信号没有接收到。  

          管程 (Monitor)是对多个工作线程实现互斥访问共享资源的对象和模块。管程实现了在一个时间点，最多只有一个线程在执行他的某个子程序。

 

• 6 Java ThreadLocal

          java中的ThreadLocal 可以让变量只被同一个线程进行读和写操作。

          创建：

           private ThreadLocal myThreadLocal = new ThreadLocal()

           访问：

            myThreadLocal.set(“local value”);

            String threadLocalValue = (String) myThreadLocal.get();

          如果不想用强制类型转换，可以创建一个泛型化的ThreadLocal对象。

          private ThreadLocal myThreadLocal1 = new ThreadLocal<String>();