JAVA 并发性和多线程 -- 读感 (二 线程间通讯,共享内存的机制)

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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JAVA 并发性和多线程 -- 读感 (二 线程间通讯,共享内存的机制)相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

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>();

 

以上是关于JAVA 并发性和多线程 -- 读感 (二 线程间通讯,共享内存的机制)的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

5Java并发性和多线程-相同线程

26Java并发性和多线程-线程池

16Java并发性和多线程-死锁

29Java并发性和多线程-非阻塞算法

20Java并发性和多线程-Slipped Conditions

14Java并发性和多线程-Java ThreadLocal