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  • JDK1.8的并发特性

    千次阅读 2017-03-23 15:03:38
    JDK1.8中有一些并发的新特性,可以提高变成的效率。本文写的主要是LongAdder和stampedlock的特性。 多线程发生死锁时dump查看方式: 使用命令jps:如下所示 通过这个命令我们可以得到死锁号,然后再通过命令...

    JDK1.8中有一些并发的新特性,可以提高变成的效率。本文写的主要是LongAdder和stampedlock的特性。
    多线程发生死锁时dump查看方式:
    使用命令jps:如下所示
    这里写图片描述

    通过这个命令我们可以得到死锁号,然后再通过命令jstack查看

    如下所示:
    这里写图片描述

    LongAdder

    LongAdder是什么?
    在大数据处理过程,为了方便监控,需要统计数据,少不了原子计数器。为了尽量优化性能,需要采用高效的原子计数器。在jdk8中,引入了LongAdder,非常适合多线程原子计数器。
    我们知道,AtomicLong已经是非常高效的了,涉及并发的地方都是使用CAS(无锁)操作,在硬件层次上去做 compare and set操作。效率非常高。
    LongAdder比AtomicLong更加高效。

    实现原理:
    LongAdder 沿用了concurrentMap原理,他是将1个整数拆分成一个数组cells,数组中有若干个cell。若有多个线层,每个线程通过CAS更新其中的一个小cell。然后内部将数组做sum求和操作得到整数的value;
    这样就使得AtomicLong的单一线程做CAS操作演变成多个线程同时做CAS操作,期间互不影响。从而提高效率;
    LongAdder开始并没有做拆分,当多线程间执行遇到冲突时才会拆分cell,若是多线程执行始终没有冲突,则它相当于AtomicLong;

    如何分配cell的???
    拿到线程相关的HashCode对象后,获取它的code变量,计算出一个在Cells 数组中当前线程的HashCode对应的索引位置,并将该位置的Cell 对象拿出来用CAS更新它的value值。

    LongAdder的继承树
    这里写图片描述

    LongAdder的方法
    这里写图片描述

    使用案例

    import java.util.concurrent.atomic.LongAdder;
    
    public class LongAdderTest {
    
        private static LongAdder la =new LongAdder();
    
        public static int a =0;
        public static void add(){
            la.increment();
            a++;
        }
        /**
         * @param args
         * @throws InterruptedException 
         */
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            // TODO Auto-generated method stub
            Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
    
                @Override
                public void run() {
                    // TODO Auto-generated method stub
                    for(int i=0;i<10000;i++){
                        add();
                    }
                }
            });
            t1.start();
    
            Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
    
                @Override
                public void run() {
                    // TODO Auto-generated method stub
                    for(int i=0;i<10000;i++){
                        add();
                    }
                }
            });
            t2.start();
            t1.join();t2.join();
            System.out.println("---la-----"+la);
            System.out.println("---a-----"+a);
        }
    
    }
    

    执行结果:
    这里写图片描述

    StampedLock

    stampedLock推出了乐观读锁,在使用乐观读锁时,不会阻塞写锁,这使得我们在写数据时,不会因为使用读锁而长时间的阻塞写,从而提高效率;
    ReentrantReadWriteLock 在沒有任何读写锁时,才可以取得写入锁,这可用于实现了悲观读取(Pessimistic Reading),即如果执行中进行读取时,经常可能有另一执行要写入的需求,为了保持同步,ReentrantReadWriteLock 的读取锁定就可派上用场。
    然而,如果读取执行情况很多,写入很少的情况下,使用 ReentrantReadWriteLock 可能会使写入线程遭遇饥饿(Starvation)问题,也就是写入线程迟迟无法竞争到锁定而一直处于等待状态。
    StampedLock控制锁有三种模式(写,读,乐观读),一个StampedLock状态是由版本和模式两个部分组成,锁获取方法返回一个数字作为票据stamp,它用相应的锁状态表示并控制访问,数字0表示没有写锁被授权访问。在读锁上分为悲观锁和乐观锁。
    所谓的乐观读模式,也就是若读的操作很多,写的操作很少的情况下,你可以乐观地认为,写入与读取同时发生几率很少,因此不悲观地使用完全的读取锁定,程序可以查看读取资料之后,是否遭到写入执行的变更,再采取后续的措施(重新读取变更信息,或者抛出异常) ,这一个小小改进,可大幅度提高程序的吞吐量!!
    示例代码:

    import java.util.concurrent.locks.StampedLock;
    
    public class StampedLockTest {
    
        private static final StampedLock sl = new StampedLock();
        private static int x;
        private static int y;
    
        public static void move(int deltax,int deltay) throws InterruptedException{
            System.out.println("写线程----"+Thread.currentThread().getName());
            long sw = sl.writeLock();//获取写锁
            try{
                x = x+deltax;
                y = y+deltay;
            }finally{
                sl.unlockWrite(sw);//释放写锁
            }
        }
    
        public static int distanceFromOrigin(){
            long sr = sl.tryOptimisticRead(); //获取乐观读锁,不会阻塞写锁
            int currentx = x;
            int currenty = y;
            //读完成后验证期间是否有写操作改变了数据sl.validate(sr)为true则表示期间无写操作,否则表示数据可能已经被改变
            System.out.println(currentx+"---第一次读取数据-----"+currenty);
            if(!sl.validate(sr)){
                sr = sl.readLock(); //使用了悲观锁,会阻塞写锁
                try{
                    System.out.println("悲观锁读线程----------"+Thread.currentThread().getName());
                    currentx = x;
                    currenty = y;
                }finally{
                    sl.unlockRead(sr);//释放悲观读锁
                }
            }else{
                System.out.println("乐观锁读线程----------"+Thread.currentThread().getName());
            }
            System.out.println(currentx+"----第二次读取数据----"+currenty);
            return currentx*currenty;
        }
        /**
         * @param args
         */
        public static void main(String[] args) {
            // TODO Auto-generated method stub
            for(int i=0;i<10;i++){
                final int q =i;
                new Thread(new Runnable() {
    
                    @Override
                    public void run() {
                        // TODO Auto-generated method stub
                        try {
                            move(q,q+8);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            // TODO Auto-generated catch block
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }).start();
            }
            for(int i=0;i<50;i++){
                new Thread(new Runnable() {
    
                    @Override
                    public void run() {
                        // TODO Auto-generated method stub
                        try {
                            distanceFromOrigin();
                        } catch (Exception e) {
                            // TODO Auto-generated catch block
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }).start();
            }
        }
    
    }

    这里写图片描述

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  • Java并发编程的特性

    2015-11-08 20:45:42
    java并发编程的特性

    1. Java内存模型:

    java内存模型

           java的对象都是在主内存(物理内存)中创建的;而各个线程在执行的时候,为了隔离相互之间的影响,以及降低CPU和内存IO之间速率相差太大的影响,会将主内存中的变量读取到工作内存中(高速缓存,寄存器),然后在工作内存中操作,完成之后再写回到主内存中。
           主内存和工作内存中的操作由以下几部分操作组成,每部分均是原子性的:
    内存操作

           首先通过read、load将变量的值放入工作内存中;当执行引擎需要使用变量时,使用use操作,读取工作内存的变量,操作完之后使用assign,将新的变量值写回工作内存;当需要将变量值同步回主内存时,通过store、write操作将工作内存的值刷新到主内存中。
           java虚拟机规定read和load,store和write必须成对出现。
           每次lock一个变量,将会清空该变量在工作内存中的值。

    2. 并发编程的3个特性

    2.1 原子性:

    • 基本变量的读取和赋值是原子性的,结合上面的操作顺序,即可得知,因为每次read和write均是原子性的。但是java对于64位的变量,允许拆分成两部分的32位分别操作,因此对于double和long的读写,可能没有原子性。但实际上大多数jvm在具体实现时,也都将这两种类型的读写实现为原子性了。
    • synchronized。必须先lock才能进入同步代码块,因此一个线程在unlock之前,其他线程无法进入同步代码块,保证了同步代码块的原子性。

    2.2 可见性

    • volatile。被volatile修饰的变量,在每次use之前,都需要先read和load,因此保证了每次读取的都是主内存的最新值;而在每次assign的时候,都需要store和write回主内存,因此保证了最新值可以刷新到主内存。
    • synchronized。在同步代码块中,每次写变量,都会先lock住变量,然后清空工作内存中共享变量的值;写完变量之后,都会先将工作内存中的共享变量刷新到主内存中,然后unlock(关于synchronized的可见性,可以见:synchronized可见性)。

    2.3 有序性

    • volatile。JVM规定,在volatile之前的操作,不能重排序到volatile之后。
    • synchronized。同步代码块对于不同线程来说串行进入的。

    3. 一段同步代码的分析

    import java.util.Date;
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    
    public class ThreadTest extends Thread {
     private static boolean stop;
     // private static volatile boolean stop;
    
     synchronized void f() {}
    
     @Override
     public void run() {
      System.out.println("start");
      while (!stop) {
       // f();
       // System.out.println("loop");
      }
      System.out.println("end");
     }
    
     public static void main(String[] args) {
      try {
       ThreadTest t = new ThreadTest();
       t.start();
       Thread.sleep(2000);
       t.stop = true;
       System.out.println("stop");
       Thread.sleep(2000);
      } catch (InterruptedException e) {
       System.out.println(e.getMessage());
      }
     }
    }

           由于stop变量的不可见性的,所以线程并不会在stop设为true之后停止,原因是stop不具有可见性,但是如果用volatile修饰stop,或者在循环中调用synchronized方法,则可以使线程停下来;另外循环中调用控制台输出,也可以停下线程,猜测是输出到控制台的时候调用了synchronized方法。
           这段类似的代码在《Effective Java》中提到,编译器在优化的时候也可能优化为:

    while(!stop){
        while(true){
            // do something
        }
    }

    4. 双重锁单例模式的一个细节分析

    private static volatile TestSingleton instance = null;  
    
        public static TestSingleton getInstance() {  
               if (instance == null) {    
                 synchronized (TestSingleton.class) {    
                    if (singleton == null) {    
                       singleton = new TestSingleton();   
                    }    
                 }    
               }   
               return instance;  
        }  

           上面是一个典型的单例实现方式,关于volatile的作用,大部分地方会解释为可见性,但是此处使用synchronized已经保证了singleton的可见性,为何还要使用volatile。其实这里更多的是考虑有序性,防止代码重排序,如果在创建TestSingleton的时候,先将TestSingleton对象的内存地址返回给singleton了,而TestSingleton还没有完成初始化,此时,其他线程可能拿到一个不完整的singleton。具体可见:单例模式的实现,在这篇博文的评论中有说到。

    参考资料:

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  • Java并发编程特性

    2021-01-21 13:46:43
    并发特性 可见性 当多个线程同时具有一个数值访问权限时其中一个线程修改了其数值,其他线程要及时可见 有序性 由于程序不一定会按顺序执行,所以要求并发编程中需要有序执行业逻辑代码 原子性 并发编程中...

    并发特性

    可见性

    当多个线程同时具有一个数值的访问权限时其中一个线程修改了其数值,其他线程要及时可见

    有序性

    由于程序不一定会按顺序执行,所以要求并发编程中需要有序的执行业逻辑代码

    原子性

    并发编程中要保证每个线程执行完指定的逻辑代码后才能给第二个线程继续执行指定的逻辑代码

    案例1

    public class T01 {
        private static int x=0,y=0;
        private static int a=0,b=0;
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            for(long i=0;i<Long.MAX_VALUE;i++){
                x=0;
                y=0;
                a=0;
                b=0;
                CountDownLatch letch=new CountDownLatch(2);
                Thread one=new Thread(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        a=1;
                        x=b;
                        letch.countDown();
                    }
                });
                Thread other=new Thread(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        b=1;
                        y=a;
                        letch.countDown();
                    }
                });
                one.start();
                other.start();
                letch.await();
                String result="第"+i+"次("+x+","+y+")";
                if(x==0&&y==0){
                    System.out.println(result);
                    break;
                }
            }
        }
    }
    

    在该案例中有两个线程当两个线程执行后的x和y的同时为0时才退出for循环

    该案例中所有的执行结果:

    在这里插入图片描述

    从该案例中可以看出来程序不一定是按顺序执行的。程序乱序执行是为了提高运行效率,在不影响单线程的最终一执行的情况下,且线程之间不存在依赖关系(看起来像序列化as-if-serial),无论是单核CPU还是多核CPU都会发送程序乱序执行的情况,而且底层发生的概率很高

    案例2

    private static boolean ready=false;
        private static int number;
        private static class ReaderThread extends Thread{
            public void run(){
                while(!ready){
                    Thread.yield();
                }
                System.out.println(number);
            }
        }
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            Thread t=new ReaderThread();
            t.start();
            number=42;
            ready=true;
            t.join();
        }
    

    1、private static boolean ready变量是在内存中的,而主线程main中修改的是main线程本地缓存中的ready的值,同理线程ReaderThread读的ready的值也是ReaderThread线程本地缓存中ready中的值,如果这三个值不同步就会导致线程ReaderThread不结束。当然JVM底层机制可能给这三个变量做了同步,所以最严谨的写法就是private static volatile boolean ready=false;

    2、由于多线程执行的代码是乱序的,所以当number=42和ready=true顺序改变,那么打印出来的值就是0

    展开全文
  • JAVA 并发特性

    2018-03-10 19:17:30
    JAVA 并发特性 原子性 可见性 有序性 JAVA 并发特性 并发编程三大概念:原子性,有序性,可见性。 原子性 即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行过程不会被任何因素打断,要么就都不...

    JAVA 并发特性

    并发编程的三大概念:原子性,有序性,可见性。

    原子性

    即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断,要么就都不执行。

    比如银行转账问题

    JAVA 中的原子性

    在Java中,对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作,即这些操作是不可被中断的,要么执行,要么不执行。

    上面一句话虽然看起来简单,但是理解起来并不是那么容易。看下面一个例子i:

    请分析以下哪些操作是原子性操作:

    x = 10;        //语句1 
    y=x;           //语句2
    x++;           //语句3
    x = x + 1;     //语句4

    咋一看,可能会说上面的4个语句中的操作都是原子性操作。其实只有语句1是原子性操作,其他三个语句都不是原子性操作。

    语句1是直接将数值10赋值给x,也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。

    语句2实际上包含2个操作,它先要去读取x的值,再将x的值写入工作内存,虽然读取x的值以及 将x的值写入工作内存
    这2个操作都是原子性操作,但是合起来就不是原子性操作了。

    同样的,x++和 x = x+1包括3个操作:读取x的值,进行加1操作,写入新的值。

    所以上面4个语句只有语句1的操作具备原子性。

    也就是说,只有简单的读取、赋值(而且必须是将数字赋值给某个变量,变量之间的相互赋值不是原子操作)才是原子操作。

    从上面可以看出,Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作,如果要实现更大范围操作的原子性,可以通过synchronized和Lock来实现。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块,那么自然就不存在原子性问题了,从而保证了原子性。

    可见性

    可见性是指当多个线程访问同一个变量时,一个线程修改了这个变量的值,其他线程能够立即看得到修改的值。
    JAVA 中的可见性
    对于可见性,Java提供了volatile关键字来保证可见性。

    当一个共享变量被volatile修饰时,它会保证修改的值会立即被更新到主存,当有其他线程需要读取时,它会去内存中读取新值。

    而普通的共享变量不能保证可见性,因为普通共享变量被修改之后,什么时候被写入主存是不确定的,当其他线程去读取时,此时内存中可能还是原来的旧值,因此无法保证可见性。

    另外,通过synchronized和Lock也能够保证可见性,synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码,并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

    有序性

    即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

    int i = 0;              
    
    boolean flag = false;
    
    i = 1;                //语句1  
    flag = true; 

    上面代码定义了一个int型变量,定义了一个boolean类型变量,然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看,语句1是在语句2前面的,那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗?不一定,为什么呢?这里可能会发生指令重排序(Instruction
    Reorder)。

    下面解释一下什么是指令重排序,一般来说,处理器为了提高程序运行效率,可能会对输入代码进行优化,它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致,但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。

    比如上面的代码中,语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响,那么就有可能在执行过程中,语句2先执行而语句1后执行。

    但是要注意,虽然处理器会对指令进行重排序,但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同,那么它靠什么保证的呢?

    int a = 10;    //语句1
    int r = 2;    //语句2
    a = a + 3;    //语句3
    r = a*a;     //语句4

    可能是 2 1 3 4 那么可不可能是这个执行顺序呢: 语句2 语句1 语句4 语句3

    不可能,因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性,如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction
    1的结果,那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行。

    虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果

    //线程1:
    
    context = loadContext();   //语句1
    inited = true;             //语句2
    
     //线程2:
    while(!inited ){
       sleep()
    }
    doSomethingwithconfig(context);

    上面代码中,由于语句1和语句2没有数据依赖性,因此可能会被重排序。假如发生了重排序,在线程1执行过程中先执行语句2,而此是线程2会以为初始化工作已经完成,那么就会跳出while循环,去执行doSomethingwithconfig(context)方法,而此时context并没有被初始化,就会导致程序出错。

    从上面可以看出,指令重排序不会影响单个线程的执行,但是会影响到线程并发执行的正确性。

    也就是说,要想并发程序正确地执行,必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证,就有可能会导致程序运行不正确。
    JAVA 中的有序性
    在Java内存模型中,允许编译器和处理器对指令进行重排序,但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行,却会影响到多线程并发执行的正确性。

    在Java里面,可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性,很显然,synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码,相当于是让线程顺序执行同步代码,自然就保证了有序性。

    另外,Java内存模型具备一些先天的“有序性”,即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性,这个通常也称为 happens-before
    原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来,那么它们就不能保证它们的有序性,虚拟机可以随意地对它们进行重排序。
    下面就来具体介绍下happens-before原则(先行发生原则):
    1. 程序次序规则:一个线程内,按照代码顺序,书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
    2. 锁定规则:一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作
    3. volatile变量规则:对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
    4. 传递规则:如果操作A先行发生于操作B,而操作B又先行发生于操作C,则可以得出操作A先行发生于操作C
    5. 线程启动规则:Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作
    6. 线程中断规则:对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
    7. 线程终结规则:线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测,我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
    8. 对象终结规则:一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始

    下面我们来解释一下前4条规则:

    对于程序次序规则来说,就是一段程序代码的执行在单个线程中看起来是有序的。注意,虽然这条规则中提到“书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作”,这个应该是程序看起来执行的顺序是按照代码顺序执行的,但是虚拟机可能会对程序代码进行指令重排序。虽然进行重排序,但是最终执行的结果是与程序顺序执行的结果一致的,它只会对不存在数据依赖性的指令进行重排序。因此,在单个线程中,程序执行看起来是有序执行的,这一点要注意理解。事实上,这个规则是用来保证程序在单线程中执行结果的正确性,但无法保证程序在多线程中执行的正确性。

    第二条规则也比较容易理解,也就是说无论在单线程中还是多线程中,同一个锁如果处于被锁定的状态,那么必须先对锁进行了释放操作,后面才能继续进行lock操作。

    第三条规则是一条比较重要的规则。直观地解释就是,如果一个线程先去写一个变量,然后一个线程去进行读取,那么写入操作肯定会先行发生于读操作。

    第四条规则实际上就是体现happens-before原则具备传递性。

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