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  • 原标题:Java并发编程:核心理论之数据共享并发编程是Java程序员最重要的技能之一,也是最难掌握的一种技能。它要求编程者对计算机最底层的运作原理有深刻的理解,同时要求编程者逻辑清晰、思维缜密,这样才能写出...

    原标题:Java并发编程:核心理论之数据共享性

    并发编程是Java程序员最重要的技能之一,也是最难掌握的一种技能。它要求编程者对计算机最底层的运作原理有深刻的理解,同时要求编程者逻辑清晰、思维缜密,这样才能写出高效、安全、可靠的多线程并发程序。本系列会从线程间协调的方式(wait、notify、notifyAll)Synchronized及Volatile的本质入手,详细解释JDK为我们提供的每种并发工具和底层实现机制。在此基础上,我们会进一步分析java.util.concurrent包的工具类,包括其使用方式、实现源码及其背后的原理。本文是该系列的第一篇文章,是这系列中最核心的理论部分,之后的文章都会以此为基础来分析和解释。

    一、共享性

    数据共享性是线程安全的主要原因之一。如果所有的数据只是在线程内有效,那就不存在线程安全性问题,这也是我们在编程的时候经常不需要考虑线程安全的主要原因之一。但是,在多线程编程中,数据共享是不可避免的。最典型的场景是数据库中的数据,为了保证数据的一致性,我们通常需要共享同一个数据库中数据,即使是在主从的情况下,访问的也同一份数据,主从只是为了访问的效率和数据安全,而对同一份数据做的副本。我们现在,通过一个简单的示例来演示多线程下共享数据导致的问题:

    代码段一:

    package com.paddx.test.concurrent;

    public class ShareData {

    public static int count = 0;

    public static void main(String[] args) {

    final ShareData data = new ShareData();

    for (int i = 0; i < 10; i++) {

    new Thread(new Runnable() {

    @Override

    public void run() {

    try {

    //进入的时候暂停1毫秒,增加并发问题出现的几率

    Thread.sleep(1);

    } catch (InterruptedException e) {

    e.printStackTrace();

    }

    for (int j = 0; j < 100; j++) {

    data.addCount();

    }

    System.out.print(count + " ");

    }

    }).start();

    }

    try {

    //主程序暂停3秒,以保证上面的程序执行完成

    Thread.sleep(3000);

    } catch (InterruptedException e) {

    e.printStackTrace();

    }

    System.out.println("count=" + count);

    }

    public void addCount() {

    count++;

    }

    }

    上述代码的目的是对count进行加一操作,执行1000次,不过这里是通过10个线程来实现的,每个线程执行100次,正常情况下,应该输出1000.不过,如果你运行上面的程序,你会发现结果却不是这样。下面是某次的执行结果(每次运行的结果不一定相同,有时候也可能获取到正确的结果):

    65d77a8559332aaf648d6040cd5d154c.png

    可以看出,对共享变量操作,在多线程环境下很容易出现各种意想不到的的结果。

    来源:http://www.cnblogs.com/paddix/p/5374810.html

    责任编辑:

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  • 机制Java锁机制其实就是一种等待机制,将多个线程对共享数据并发访问转换为串行访问,即一个共享数据一次只能被一个线程访问,这样锁就可以用来保障线程安全了。锁(Lock)可以理解为对共享数据进行保护的一个许可...

    锁机制

    Java锁机制其实就是一种等待机制,将多个线程对共享数据的并发访问转换为串行访问,即一个共享数据一次只能被一个线程访问,这样锁就可以用来保障线程安全了。

    锁(Lock)可以理解为对共享数据进行保护的一个许可证. 对于同一个许可证保护的共享数据来说,任何线程想要访问这些共享数据必须先持有该许可证. 一个线程只有在持有许可证的情况下才能对这些共享数据进行访问; 并且一个许可证一次只能被一个线程持有; 许可证线程在结束对共享数据的访问后必须释放其持有的许可证。

    一个线程在访问共享数据前必须先获得锁; 获得锁的线程称为锁的持有线程; 一个锁一次只能被一个线程持有. 锁的持有线程在获得锁之后和释放锁之前这段时间所执行的代码称为临界区(Critical Section)。

    锁具有排他性(Exclusive), 即一个锁一次只能被一个线程持有.这种锁称为排它锁或互斥锁(Mutex)。

    Java线程锁是如何实现线程的原子性,可见性与有序性,从而实现对共享数据的安全访问的?

    锁是通过互斥保障原子性. 一个锁只能被一个线程持有, 这就保证临界区的代码一次只能被一个线程执行.使得临界区代码所执行的操作自然而然的具有不可分割的特性,即具备了原子性。

    可见性的保障是通过写线程冲刷处理器的缓存和读线程刷新处理器缓存这两个动作实现的. 在java平台中,锁的获得隐含着刷新处理器缓存的动作, 锁的释放隐含着冲刷处理器缓存的动作。

    锁能够保障有序性.写线程在临界区所执行的,在读线程所执行的临界区里看来像是完全按照源码顺序执行的。

    注意:

    使用锁保障线程的安全性,必须满足以下条件:

    这些线程在访问共享数据时必须使用同一个锁。

    即使是读取共享数据的线程也需要使用同步锁。

    JVM锁分类:

    JVM把锁分为内部锁(内置锁)和显示锁两种. 内部锁(内置锁)通过synchronized关键字实现; 显示锁通过java.concurrent.locks.Lock,java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock接口的实现类实现的。

    可以将JVM锁的分类细分,通过不同的方式划分成不同的锁:

    按照锁的特性划分:

    可重入锁:又名递归锁,在执行对象中所有同步方法不用再次获取锁。指在同一个线程在外层方法获取锁的时候在进入内层方法会自动获取锁,synchronized 和 ReentrantLock 都是可重入锁,可重入锁可以在一定程度避免死锁。

    可中断锁:在等待获取锁过程中可中断。synchronized 是不可中断的,Lock 是可中断的,这里的可中断建立在阻塞等待中断,运行中是无法中断的。

    公平锁:公平锁指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁,非公平锁就是没有顺序完全随机,所以能会造成优先级反转或者饥饿现象;synchronized 就是非公平锁,ReentrantLock(使用 CAS 和 AQS 实现) 通过构造参数可以决定是非公平锁还是公平锁,默认构造是非公平锁;非公平锁的吞吐量性能比公平锁大好。

    读写锁:对资源读取和写入的时候拆分为两个部分处理,读的时候可以多线程一起读,写的时候必须同步写。读写锁中,读锁是共享锁,写锁是独占锁。

    共享锁与独占锁(互斥锁/排他锁):是读写锁的延申,独享锁是指该锁一次只能被一个线程持有,共享锁指该锁可以被多个线程持有;synchronized 和 ReentrantLock 都是独享锁,ReadWriteLock 的读锁是共享锁,写锁是独占锁。

    按照锁的状态划分:

    无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。这种分类是按照锁状态来归纳的,并且是针对 synchronized 的,java 1.6 为了减少获取锁和释放锁带来的性能问题而引入的一种状态,其状态会随着竞争情况逐渐升级,锁可以升级但不能降级,意味着偏向锁升级成轻量级锁后无法降为偏向锁,这种升级无法降级的策略目的就是为了提高获得锁和释放锁的效率。

    按照锁的设计划分:

    乐观锁与悲观锁: 这个分类不是具体锁的分类,而是看待并发同步的角度;悲观锁认为对于同一个数据的并发操作一定是会发生修改的(哪怕实质没修改也认为会修改),因此对于同一个数据的并发操作,悲观锁采取加锁的形式,因为悲观锁认为不加锁的操作一定有问题;乐观锁则认为对于同一个数据的并发操作是不会发生修改的,在更新数据的时候会采用不断的尝试更新,乐观锁认为不加锁的并发操作是没事的;由此可以看出悲观锁适合写操作非常多的场景,乐观锁适合读操作非常多的场景,不加锁会带来大量的性能提升,悲观锁在 java 中很常见,乐观锁其实就是基于 CAS 的无锁编程,譬如 java 的原子类就是通过 CAS 自旋实现的。

    自旋锁与适应性自旋锁: 其实是相对于互斥锁(独占锁/排他锁)的概念,互斥锁线程会进入 WAITING 状态和 RUNNABLE 状态的切换,涉及上下文切换、cpu 抢占等开销,自旋锁的线程一直是 RUNNABLE 状态的,一直在那循环检测锁标志位,机制不重复,但是自旋锁加锁全程消耗 cpu,起始开销虽然低于互斥锁,但随着持锁时间加锁开销是线性增长。

    Java锁结构示意图

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  • 并发编程机制研究 生活实例模型 小明妈妈做好饭,喊小明吃饭。通过在家里留字条的方式,称为读写共享变量(JMM主要是通过该方式完成的);通过打电话的方式,称为通知机制并发编程的通信机制 读-写...
    1. 并发编程的机制研究
      1. 生活实例模型

    小明妈妈做好饭,喊小明吃饭。通过在家里留字条的方式,称为读写共享变量(JMM主要是通过该方式完成的);通过打电话的方式,称为通知机制

      1. 并发编程的通信机制
        1. 读-写共享变量:while条件中的共享变量用于线程之间的通讯
        2. 等待通知机制:通过wait() notify()机制唤醒对应的线程
      2. 出现线程安全的原因:
        1. 主内存和工作内存数据不一致:JMM模型导致的
    1. 使用同步机制synchronized,lock等控制不同线程间操作发生的相对顺序来解决
    2. 使用volatile关键字,使得volatile变量每次都能够强制刷新到主存,从而对每个线程都是可见的
        1. 指令的重排序:编译器或处理器导致的

    Happens-before

      1. 线程安全的处理方案:CAS,volative,synchronized,lock

    多线程学习大纲:https://mp.csdn.net/postedit/84768644

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  • Java并发编程 对象的共享 1. 可见性 可见性是一种复杂的属性。在单线程环境中,如果向某个变量先写入值,然后在没有其他写入操作的情况下读取这个变量,那么总能得到相同的值。然而,当读操作和写操作在不同的线程中...

    Java并发编程 对象的共享

    1. 可见性

    可见性是一种复杂的属性。在单线程环境中,如果向某个变量先写入值,然后在没有其他写入操作的情况下读取这个变量,那么总能得到相同的值。然而,当读操作和写操作在不同的线程中执行时,情况却并非如此。通常,我们无法确保执行读操作的线程能适时地看到其他线程写入的值,有时甚至是根本不可能的事情。为了确保多个线程之间对内存写入操作的可见性,必须使用同步机制。

    下面代码说明了当多个线程在没有同步的情况下共享数据时出现的错误。在代码中,主线程和读线程都将访问共享变量 ready 和 number。主线程启动读线程,然后将 number 设为 42,并将 ready 设为 true。读线程一直循环直到发现ready的值变为 true,然后输出 number 的值。虽然 NoVisibility 看起来会输出42,但事实上很可能输出 0,或者根本无法终止。这是因为在代码中没有使用足够的同步机制,因此无法保证主线程写入的 ready 值和 number 值对于读线程来说是可见的。

    // 在没有同步的情况下共享变量
    public class NoVisibility {
        private static boolean ready;
        private static int number;
        
        private static class ReaderThread extends Threas {
            public void run() {
                while (!ready) {
                    Thread.yield();
                }
                System.out.println(number);
            }
        }
        
        public static void main(String[] args) {
            new ReaderThread().start();
            number = 42;
            ready = true;
        }
    }
    

    NoVisibility 可能会持续循环下去,因为读线程可能永远都看不到 ready的 值。一种更奇怪的现象是,NoVisibility 可能会输出 0,因为读线程可能看到了写入 ready 的值,但却没有看到之后写入 number 的值,这种现象被称为“重排序(Reordering)”。只要在某个线程中无法检测到重排序情况(即使在其他线程中可以很明显地看到该线程中的重排序),那么就无法确保线程中的操作将按照程序中指定的顺序来执行。当主线程首先写入 number,然后在没有同步的情况下写入ready,那么读线程看到的顺序可能与写人的顺序完全相反。

    在没有同步的情况下,编译器、处理器以及运行时等都可能对操作的执行顺序进行一些意想不到的调整。
    在缺乏足够同步的多线程程序中,想要对内存操作的执行顺序进行判断,几乎无法得出正确的结论。
    

    Volatile 变量

    Java 语言提供了一种稍弱的同步机制,即 volatile 变量,用来确保将变量的更新操作通知到其他线程。当把变量声明为 volatile 类型后,编译器与运行时都会注意到这个变量是共享的,因此不会将该变量上的操作与其他内存操作一起重排序。volatile 变量不会被缓存在寄存器或者对其他处理器不可见的地方,因此在读取 volatile 类型的变量时总会返回最新写入的值。在访问 volatile 变量时不会执行加锁操作,因此也就不会使执行线程阻塞,因此volatile 变量是一种比 sychronized 关键字更轻量级的同步机制。

    volatile 变量对可见性的影响比 volatile 变量本身更为重要。当线程 A 首先写入一个 volatile 变量并且线程 B 随后读取该变量时,在写入 volatile 变量之前对 A 可见的所有变量的值,在 B 读取了 volatile 变量后,对B也是可见的。因此,从内存可见性的角度来看,写入 volatile 变量相当于退出同步代码块,而读取 volatile 变量就相当于进入同步代码块。然而,我们并不建议过度依赖 volatile 变量提供的可见性。如果在代码中依赖 volatile 变量来控制状态的可见性,通常比使用锁的代码更脆弱,也更难以理解。

    仅当 volatile 变量能简化代码的实现以及对同步策略的验证时,才应该使用他们。
    如果在验证正确性时需要对可见性进行复杂判断,那么就不要使用 volatile 变量。
    volatile 变量的正确使用方式包括:确保他们自身状态的可见性,确保它们所引用对象的状态的可见性,
    以及标识一些重要的程序生命周期事件的发生(初始化或关闭)。
    

    下面程序是 volatile 一种典型的用法:检查某状态标记判断是否退出循环。线程试图通过类似于数绵羊的传统方法进入休眠状态。asleep 必须是 volatile 变量。否则,当 asleep 被另外一个线程修改时,执行判断的线程却发现不了。我们也可以用锁,但这会使得代码更加复杂。

    volatile boolean asleep;
    ...
        while (!asleep) {
            countSomeSheep();
        }
    

    虽然 volatile 变量很方便,但也存在一些局限性。volatile 变量通常用做某个操作完成、发生中断或者状态的标志。尽管 volatile 变量也可以用于表示其他的状态信息,但在使用时要非常小心。例如,volatile 的语义不足以确保递增操作(count++)的原子性,除非你能确保只有一个线程对变量执行写操作。

    加锁机制既可以确保可见性又可以确保原则性,而 volatile 变量只能确保可见性
    

    当且仅当满足以下所有条件时,才应该使用 volatile 变量:

    • 对变量的写入操作不依赖变量的当前值,或者你能确保只有单个线程更新变量的值
    • 该变量不会与其他状态变量一起纳入不变性条件中
    • 在访问变量时不需要加锁

    2. 发布与逸出

    “发布(Publish)”一个对象的意思是指,使对象能够在当前作用域之外的代码中使用。例如,将一个指向该对象的引用保存到其他代码可以访问的地方,或者在某一个非私有的方法中返回该引用,或者将引用传递到其他类的方法中。在许多情况中,我们要确保对象及其内部状态不被发布。而在某些情况下,我们又需要发布某个对象,但如果在发布时要确保线程安全性,则可能需要同步。发布内部状态可能会破坏封装性,并使得程序难以维持不变性条件。例如,如果在对象构造完成之前就发布该对象,就会破坏线程安全性。当某个不应该发布的对象被发布时,这种情况就被称为逸出(Escape)。
    发布对象的最简单方法是将对象的引用保存到一个公有的静态变量中,以便任何类和线程都能看见该对象,如下面程序所示。在 initialize 方法中实例化一个新的 HashSet 对象,并将对象的引用保存到 knownSecrets 中以发布该对象。

    // 发布一个对象
    public static Set<Secret> knownSecrets;
    public void initialize() {
        knownSecrets = new HashSet<Secret>();
    }
    

    当发布某个对象时,可能会间接地发布其他对象。如果将一个 Secret 对象添加到集合 knownSecrets 中,那么同样会发布这个对象,因为任何代码都可以遍历这个集合,并获得对这个新 Secret 对象的引用。同样,如果从非私有方法中返回一个引用,那么同样会发布返回的对象。下面程序中的 UnsafeStates 发布了本应为私有的状态数组。

    // 使内部的可变状态逸出(不要这么做)
    class UnsafeStates {
        private String[] states = new String[] {
            "AK", "AL" ...
        };
        public String[] getStates() { return states; }
    }
    

    如果按照上述方式来发布 states,就会出现问题,因为任何调用者都能修改这个数组的内容。在这个示例中,数组 states 已经逸出了它所在的作用域,因为这个本应是私有的变量已经被发布了。

    当发布一个对象时,在该对象的非私有域中引用的所有对象同样会被发布。一般来说,如果一个已经发布的对象能够通过非私有的变量引用和方法调用到达其他的对象,那么这些对象也都会被发布。

    无论其他的线程会对已发布的引用执行何种操作,其实都不重要,因为误用该引用的风险始终存在。当某个对象逸出后,你必须假设有某个类或线程可能会误用该对象。这正是需要使用封装的最主要原因:封装能够使得对程序的正确性进行分析变得可能,并使得无意中破坏设计约束条件变得更难。

    最后一种发布对象或其内部状态的机制就是发布一个内部的类实例,如下面程序的 ThisEscape 所示。当ThisEscape 发布 EventListener 时,也隐含地发布了 ThisEscape 实例本身,因为在这个内部类的实例中包含了对ThisEscape 实例的隐含引用。

    // 隐式地使用 this 引用逸出 (不要这么做)
    public class ThisEscape {
        public ThisEscape(EventSource source) {
            source.registerListener(
            	new EventListener() {
                    public void onEvent(Event e) {
                        doSomething(e);
                    }
                }
            );
        }
    }
    

    安全的对象构造过程

    在 ThisEscape 中给出了逸出的一个特殊示例,即 this 引用在构造函数中逸出。当内部的 EventListener 实例发布时,在外部封装的 ThisEscape 实例也逸出了。当且仅当对象的构造函数返回时,对象才处于可预测的和一致的状态。因此,当从对象的构造函数中发布对象时,只是发布了一个尚未构造完成的对象。即使发布对象的语句位于构造函数的最后一行也是如此。如果 this 引用在构造过程中逸出,那么这种对象就被认为是不正确构造。

    不要在构造过程中使 this 引用逸出
    

    如果想在构造函数中注册一个事件监听器或启动线程,那么可以使用一个私有的构造函数和一个公共的工厂方法(Factory Method),从而避免不正确的构造过程。

    使用工厂方法来阻止 this 引用在构造过程中逸出

    public class SafeListener {
        private final EventListener listener;
        private SafeListener() {
            listener = new EventListener() {
                public void onEvent(Event e) {
                    doSomething(e);
                }
            };
        }
        
        public static SafeListener newInstance(EventSource source) {
            SafeListener safe = new SafeListener();
            source.registerListener(safe.listener);
            return safe;
        }
    }
    
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