第十四章：构建自定义的同步工具——Java并发编程实战
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了第十四章：构建自定义的同步工具——Java并发编程实战相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
一、状态依赖性管理
- 对于单线程程序，某个条件为假，那么这个条件将永远无法成真
- 在并发程序中，基于状态的条件可能会由于其他线程的操作而改变
1 acquire lock on object state 2 while (precondition does not hold) 3 { 4 release lock 5 wait until precondition might hold 6 optionally fail if interrupted or timeout expires 7 reacquire lock 8 } 9 perform action 10 release lock
1 //有界缓存实现的基类 2 public abstract class BaseBoundedBuffer<V> { 3 private final V[] buf; 4 private int tail; 5 private int head; 6 private int count; 7 8 protected BaseBoundedBuffer(int capacity){ 9 this.buf = (V[]) new Object[capacity]; 10 } 11 12 protected synchronized final void doPut(V v){ 13 buf[tail] = v; 14 if (++tail == buf.length){ 15 tail = 0; 16 } 17 ++count; 18 } 19 20 protected synchronized final V doTake(){ 21 V v = buf[head]; 22 buf[head] = null; //let gc collect 23 if (++head == buf.length){ 24 head = 0; 25 } 26 --count; 27 return v; 28 } 29 30 public synchronized final boolean isFull(){ 31 return count == buf.length; 32 } 33 34 public synchronized final boolean isEmpty(){ 35 return count == 0; 36 } 37 }
1、示例：将前提条件的失败传递给调用者
1 public class GrumyBoundedBuffer<V> extends BaseBoundedBuffer<V> { 2 public GrumyBoundedBuffer(int size){ 3 super(size); 4 } 5 6 public synchronized void put(V v){ 7 if (isFull()){ 8 throw new BufferFullException(); 9 } 10 doPut(v); 11 } 12 13 public synchronized V take(){ 14 if (isEmpty()) 15 throw new BufferEmptyExeption(); 16 return doTake(); 17 } 18 }
缺点：已满情况不应为异常；调用者自行处理失败；sleep：降低响应性；自旋等待：浪费CPU；yield让出CPU
2、示例：通过轮询与休眠来实现简单的阻塞
1 public class SleepyBounedBuffer<V> extends BaseBoundedBuffer<V> { 2 private static long SLEEP_TIME; 3 public SleepyBounedBuffer(int size) { 4 super(size); 5 } 6 7 public void put(V v) throws InterruptedException{ 8 while (true){ 9 synchronized(this){ 10 if (!isFull()){ 11 doPut(v); 12 return; 13 } 14 } 15 Thread.sleep(SLEEP_TIME); 16 } 17 } 18 19 public V take() throws InterruptedException{ 20 while (true){ 21 synchronized(this){ 22 if (!isEmpty()){ 23 return doTake(); 24 } 25 } 26 Thread.sleep(SLEEP_TIME); 27 } 28 } 29 }
优点：对于调用者，无需处理失败与异常，操作可阻塞，可中断（休眠时候不要持有锁）
缺点：对于休眠时间设置的权衡（响应性与CPU资源）
3、条件队列——使得一组线程（称之为等待线程集合）能够通过某种方式来等待特定的条件变成真（元素是一个个正在等待相关条件的线程）
- 每个对象都可以作为一个条件队列（API：wait、notify和notifyAll)
- Object.wait会自动释放锁，并请求操作系统挂起当前线程，从而使其他线程能够获得这个锁并且修改对象的状态
- Object.notify/notifyAll通知被挂起的线程可以重新请求资源执行
- 只有能对状态进行检查时，才能在某个条件上等待，并且只有能修改状态时，才能从条件等待中释放另一个线程
- 条件队列在CPU效率、上下文切换开销和响应性等进行了优化
- 如果某个功能无法通过“轮询和休眠”来实现，那么使用条件队列也无法实现
1 public class BoundedBuffer<V> extends BaseBoundedBuffer<V> { 2 3 public BoundedBuffer(int capacity) { 4 super(capacity); 5 } 6 7 public synchronized void put(V v) throws InterruptedException{ 8 while (isFull()){ 9 wait(); 10 } 11 doPut(v); 12 notifyAll(); 13 } 14 15 public synchronized V take() throws InterruptedException{ 16 while (isEmpty()){ 17 wait(); 18 } 19 V v = doTake(); 20 notifyAll(); 21 return v; 22 } 23 }
二、使用条件队列
1、条件谓词
- 条件等待中存在一种重要的三元关系，包括加锁、wait方法和一个条件谓词
- 条件谓词是由类中各个状态变量构成的表达式（while）
- 在测试条件谓词之前必须先持有这个锁
- 锁对象与条件队列对象（即调用wait和notify等方法所在的对象）必须是同一个对象
- wait被唤醒后需要重新获得锁，并重新检查条件谓词
2、过早唤醒——一个条件队列与多个条件谓词相关时，wait方法返回不一定线程所等待的条件谓词就变为真了
1 void stateDependentMethod() throws InterruptedException 2 { 3 synchronized(lock) // 必须通过一个锁来保护条件谓词 4 { 5 while(!condietionPredicate()) 6 lock.wait(); 7 } 8 }
当使用条件等待时(如Object.wait(), 或Condition.await())：
- 通常都有一个条件谓词--包括一些对象状态的测试，线程在执行前必须首先通过这些测试
- 在调用wait之前测试条件谓词，并且从wait中返回时再次进行测试
- 在一个循环中调用wait
- 确保使用与条件队列相关的锁来保护构成条件谓词的各个状态变量
- 当调用wait, notify或notifyAll等方法时，一定要持有与条件队列相关的锁
- 在检查条件谓词之后以及开始执行相应的操作之前，不要释放锁。
3、丢失信号量——线程必须等待一个已经为真的条件，但在开始等待之前没有检查条件谓词
如果线程A通知了一个条件队列，而线程B随后在这个条件队列上等待，那么线程B将不会立即醒来，而是需要另一个通知来唤醒它（导致活跃性下降）
4、通知——确保在条件谓词变为真时通过某种方式发出通知挂起的线程
- 发出通知的线程持有锁调用notify和notifyAll，发出通知后应尽快释放锁
- 多个线程可以基于不同的条件谓词在同一个条件队列上等待，使用notify单一的通知很容易导致类似于信号丢失的问题
- 可以使用notify：同一条件谓词并且单进单出
使用notifyAll有时是低效的：唤醒的所有线程都需要竞争锁，并重新检验，而有时最终只有一个线程能执行
优化：条件通知
1 public synchronized void put(V v) throws InterruptedException 2 { 3 while(isFull()) 4 wait(); 5 boolean wasEmpty = isEmpty(); 6 doPut(v); 7 if(wasEmpty) 8 notifyAll(); 9 }
5、示例：阀门类
1 public class ThreadGate { 2 private boolean isOpen; 3 private int generation; 4 5 public synchronized void close() { 6 isOpen = false; 7 } 8 9 public synchronized void open() { 10 ++generation; 11 isOpen = true; 12 notifyAll(); 13 } 14 15 public synchronized void await() throws InterruptedException { 16 int arrivalGeneration = generation; 17 while (!isOpen && arrivalGeneration == generation) 18 wait(); 19 } 20 }
arrivalGeneration == generation为了保证在阀门打开时又立即关闭时，在打开时通知的线程都可以通过阀门
6、子类的安全问题
- 如果在实施子类化时违背了条件通知或单词通知的某个需求，那么在子类中可以增加合适的通知机制来代表基类
- 对于状态依赖的类，要么将其等待和通知等协议完全向子类公开（并且写入正式文档），要么完全阻止子类参与到等待和通知等过程中
- 完全禁止子类化
7、封装条件队列
8、入口协议和出口协议
- 入口协议：该操作的条件谓词
- 出口协议：检查被该操作修改的所有状态变量，并确认它们是否使某个其他的条件谓词变为真，如果是，则通知相关的条件队列
三、显示的Condition对象
内置条件队列的缺点：每个内置锁都只能有一个相关联的条件队列，而多个线程可能在同一条件队列上等待不同的条件谓词，调用notifyAll通知的线程非等待同意谓词
Condition <-> Lock，内置条件队列 <-> 内置锁
- Lock.newCondition()
- 在每个锁上可存在多个等待、条件等待可以是可中断的或不可中断的、基于时限的等待，以及公平的或非公平的队列操作
- Condition对象继承了相关的Lock对象的公平性
- 与wait、notify和notifyAll方法对应的分别是await、signal和signalAll
- 将多个条件谓词分开并放到多个等待线程集，Condition使其更容易满足单次通知的需求（signal比signalAll更高效）
- 锁、条件谓词和条件变量：件谓词中包含的变量必须由Lock来保护，并且在检查条件谓词以及调用await和signal时，必须持有Lock对象
1 public class ConditionBoundedBuffer<T> { 2 protected final Lock lock = new ReentrantLock(); 3 private final Condition notFull = lock.newCondition();//条件：count < items.length 4 private final Condition notEmpty = lock.newCondition();//条件：count > 0 5 private final T[] items = (T[]) new Object[100]; 6 private int tail, head, count; 7 8 public void put(T x) throws InterruptedException { 9 lock.lock(); 10 try { 11 while (count == items.length) 12 notFull.await();//等到条件count < items.length满足 13 items[tail] = x; 14 if (++tail == items.length) 15 tail = 0; 16 ++count; 17 notEmpty.signal();//通知读取等待线程 18 } finally { 19 lock.unlock(); 20 } 21 } 22 23 public T take() throws InterruptedException { 24 lock.lock(); 25 try { 26 while (count == 0) 27 notEmpty.await();//等到条件count > 0满足 28 T x = items[head]; 29 items[head] = null; 30 if (++head == items.length) 31 head = 0; 32 --count; 33 notFull.signal();//通知写入等待线程 34 return x; 35 } finally { 36 lock.unlock(); 37 } 38 } 39 }
四、Synchronizer解析
在ReentrantLock和Semaphore这两个接口之间存在许多共同点。两个类都可以用作一个”阀门“，即每次只允许一定数量的线程通过，并当线程到达阀门时，可以通过（在调用lock或acquire时成功返回），也可以等待（在调用lock或acquire时阻塞），还可以取消（在调用tryLock或tryAcquire时返回”假“，表示在指定的时间内锁是不可用的或者无法获取许可）。而且，这两个接口都支持中断、不可中断的以及限时的获取操作，并且也都支持等待线程执行公平或非公平的队列操作。
原因：都实现了同一个基类AbstractQueuedSynchronizer（AQS）
1 public class SemaphoreOnLock {//基于Lock的Semaphore实现 2 private final Lock lock = new ReentrantLock(); 3 //条件：permits > 0 4 private final Condition permitsAvailable = lock.newCondition(); 5 private int permits;//许可数 6 7 SemaphoreOnLock(int initialPermits) { 8 lock.lock(); 9 try { 10 permits = initialPermits; 11 } finally { 12 lock.unlock(); 13 } 14 } 15 16 //颁发许可，条件是：permits > 0 17 public void acquire() throws InterruptedException { 18 lock.lock(); 19 try { 20 while (permits <= 0)//如果没有许可，则等待 21 permitsAvailable.await(); 22 --permits;//用一个少一个 23 } finally { 24 lock.unlock(); 25 } 26 } 27 28 //归还许可 29 public void release() { 30 lock.lock(); 31 try { 32 ++permits; 33 permitsAvailable.signal(); 34 } finally { 35 lock.unlock(); 36 } 37 } 38 }
1 public class LockOnSemaphore {//基于Semaphore的Lock实现 2 //具有一个信号量的Semaphore就相当于Lock 3 private final Semaphore s = new Semaphore(1); 4 5 //获取锁 6 public void lock() throws InterruptedException { 7 s.acquire(); 8 } 9 10 //释放锁 11 public void unLock() { 12 s.release(); 13 } 14 }
五、AbstractQueuedSynchronizer
最基本的操作：
- 获取操作是一种依赖状态的操作，并且通常会阻塞（同步器判断当前状态是否允许获得操作，更新同步器的状态）
- 释放并不是一个可阻塞的操作时，当执行“释放”操作时，所有在请求时被阻塞的线程都会开始执行
状态管理（一个整数状态）：
- 通过getState，setState以及compareAndSetState等protected类型方法来进行操作
- 这个整数在不同子类表示任意状态。例：剩余的许可数量，任务状态
- 子类可以添加额外状态
六、java.util.concurrent 同步器类中的AQS
1、ReentrantLock
ReentrantLock只支持独占方式的获取操作，因此它实现了tryAcquire、tryRelease和isHeldExclusively
ReentrantLock将同步状态用于保存锁获取操作的次数，或者正要释放锁的时候，才会修改这个变量
2、Semaphore与CountDownLatch
Semaphore将AQS的同步状态用于保存当前可用许可的数量；CountDownLatch使用AQS的方式与Semaphore很相似，在同步状态中保存的是当前的计数值
3、FutureTask
在FutureTask中，AQS同步状态被用来保存任务的状态
FutureTask还维护一些额外的状态变量，用来保存计算结果或者抛出的异常
4、ReentrantReadWriteLock
- 单个AQS子类将同时管理读取加锁和写入加锁
- ReentrantReadWriteLock使用了一个16位的状态来表示写入锁的计数，并且使用了另一个16位的状态来表示读取锁的计数
- 在读取锁上的操作将使用共享的获取方法与释放方法，在写入锁上的操作将使用独占的获取方法与释放方法
- AQS在内部维护了一个等待线程队列，其中记录了某个线程请求的是独占访问还是共享访问：写操作独占获取；读操作可使第一个写之前的读都获取
以上是关于第十四章：构建自定义的同步工具——Java并发编程实战的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
201671010107 2016-2017-2 《Java程序设计》第十四章学习心得
Java并发编程实战14构建自定义同步工具(Building-Custom-Synchronizers)