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  • 1、临界区对象临界区对象是定义在数据段中的一个CRITICAL_SECTION结构,Windows内部使用这个结构记录一些同步信息,确保在同一段时间只有一个线程访问数据段中的数据。...// 进入临界区void Enter...
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    1、临界区对象

    临界区对象是定义在数据段中的一个CRITICAL_SECTION结构,Windows内部使用这个结构记录一些同步信息,确保在同一段时间只有一个线程访问数据段中的数据。

    临界区对象相关函数:

    // 初始化临界区对象资源void InitializeCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);// 进入临界区void EnterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);// 离开临界区void LeaveCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);// 删除临界区对象资源void DeleteCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);

    函数参数lpCriticalSection为指向临界区源的对象。

    2、临界区对象实例

    #include #include #include using namespace std;int g_Cnt = 0; // 计数器CRITICAL_SECTION g_cs; // 临界区对象BOOL bFlag = FALSE;// 判断是否创建辅助线程UINT _stdcall ThreadFunc(LPVOID lpParam);int main(){UINT uId[2];HANDLE h[2]; // 初始化临界区资源::InitializeCriticalSection(&g_cs); h[0] = (HANDLE)::_beginthreadex(NULL, 0, ThreadFunc, NULL, 0, &uId[0]);h[1] = (HANDLE)::_beginthreadex(NULL, 0, ThreadFunc, NULL, 0, &uId[1]);// 标志创建了辅助线程bFlag = TRUE; // 主线程休息1000ms,让出CPU的使用权,让我们的辅助线程有运行的机会Sleep(1000);// 主线程运行bFlag = FALSE;::WaitForMultipleObjects(2, h, TRUE, INFINITE);// 关闭句柄CloseHandle(h[0]);CloseHandle(h[1]);::DeleteCriticalSection(&g_cs); // 清除临界区资源printf("g_Cnt = %d
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  • 个或多个线程同时访问内存中的相同位置并且至少有一个线程正在写入时,便会导致线程安全问题。一个线程不安全的实例#!/usr/bin/env python3 """ Two shoppers adding items to a shared notepad """ import ...

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    多线程编程的主要挑战之一是确定线程之间可能存在的依赖关系,以确保线程之间不会相互干扰。当两个或多个线程同时访问内存中的相同位置并且至少有一个线程正在写入时,便会导致线程安全问题

    一个线程不安全的实例

    #!/usr/bin/env python3
    """ Two shoppers adding items to a shared notepad """
    
    import threading
    
    garlic_count = 0
    # pencil = threading.Lock()
    
    def shopper():
        global garlic_count
        for i in range(10):
            garlic_count += 1
    
    if __name__ == '__main__':
        barran = threading.Thread(target=shopper)
        olivia = threading.Thread(target=shopper)
        barran.start()
        olivia.start()
        barran.join()
        olivia.join()
        print('We should buy', garlic_count, 'garlic.')

    为了演示线程的安全问题,我们创建了一个简单的Python程序,它使用两个线程来同时增加共享变量,garlic_count变量是程序统计的应购大蒜的计数器。shopper函数的任务是将大蒜添加到购物清单中,for循环将全局计数变量递增10次。这里创建两个名为barron和olivia的购物者线程,启动并使用join方法同步它们完成。

    程序最后打印出大蒜计数变量的值,表明我们总共应该购买多少大蒜。切换到控制台运行该程序,输出显示我们应该购买20个大蒜。

    $ python thread_unsafe.py 
    We should buy 20 garlic

    上面的代码其实是线程不安全的,线程不安全意味着大多时候可能正常工作,特别当数据量比较小的时候,每个线程都循环添加10头大蒜。你如果尝试多运行几次这个程序,得到可能都是正确的结果,数据共享没有太多机会出现问题。但如果我们将for循环次数增加到1000万次,来看是否还能运行正确,正确结果应该是2000万头大蒜。

    $ python thread_unsafe.py
    We should buy 13232680 garlic.
    
    $ python thread_unsafe.py
    We should buy 12688545 garlic.

    从上面的输出可以看出,当我们再次运行程序时,得到的值远低于正确值,只有大约1300万,如果第二次运行该程序,又会得到另外一个错误值。导致这一问题的原因是:线程被操作系统调度时的不可预测性,虽然程序中对大蒜的计数只有一个行代码,但在计算机后台却需要执行读取、修改和写入三步操作,如下面图例所示。两个并发线程的其中某一步操作,无意中覆盖了另外的某一个操作,导致线程安全问题。

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    一行Python代码被分解成计算机三步操作

    临界区互斥锁操作

    为了修正这个程序,防止数据共享带来的线程安全问题,我们需要保护共享数据garlic_count。Python中的threading.Lock()提供了一种互斥锁机制,来避免线程共享数据带来的线程安全问题。回到代码中,我们指定barron和olivia线程在对共享变量进行操作之前需要获取一只铅笔pencil锁。

    pencil.acquire()
    garlic_count += 1
    pencil.release()

    线程在访问临界区之前,首先需要拿起pencil锁,当修改完成共享数据时,放下铅笔锁退出临界区。获取锁的操作是原子操作,这意味着它总是作为单个不可分割的动作执行。这里的关键是原子操作是不可中断的,没有其他线程可以干扰。要么拥有锁,要么没有锁,不存在中间状态,一旦线程确实锁定了铅笔,可以安全地在临界区中执行操作。

    $ python data_race.py
    We should buy 20000000 garlic.

    切换到控制台并运行程序,开始执行的第一个线程将拿起铅笔锁,增加大蒜计数1000万次,然后解锁铅笔,以便其他线程可以做同样的事情,这有效的解决了数据共享带来的线程安全问题,最终我们获得了2000万次的正确输出。

    结束语

    任何时候多个线程同时读取和写入共享资源,它就会带来线程安全问题,我们可以通过保护关键区代码来防止这种情况。关键区是程序中多个线程同时访问共享资源的一部分,例如内存中的数据结构或外部设备。临界区需要受到保护,一次只允许一个线程或进程在其中执行。本节我们学习了利用互斥锁来解决线程安全的问题,需要注意的是,由于线程可能会被阻塞并卡在临界区中等待,这会造成推迟其他进程进入临界区,延缓程序的并发执行,进而降低整体效率。因此,互斥锁需要最小化关键部分,只保护真正需要互斥的程序部分。

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  • 在最前面写点这周的关键词,深沉的心,自我否定不可取,着力点,接地气,真诚...线程同步的方式和机制有临界区(Critical Section)、互斥量(Mutex)、信号量(Semaphore)、事件(Event)四种方式..临界区:在同一时刻只允...

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    在最前面写点这周的关键词,深沉的心,自我否定不可取,着力点,接地气,真诚,时间成本,换位思考,幽默。
    下面是总结Java线程同步都有哪些方式线程同步指的是线程之间的协调和配合,是多线程环境下解决线程安全与效率的问题的关键。线程同步的方式和机制有临界区(Critical Section)、互斥量(Mutex)、信号量(Semaphore)、事件(Event)四种方式..
    • 临界区:在同一时刻只允许一个线程执行的代码块被称为临界区,临界区通常用锁机制来实现。
    • 互斥量:互斥量是一个对象,只有拥有互斥对象的线程才被允许访问共享资源。由于互斥对象只有一个,因此能保证共享资源不会同时被多个线程访问。
    • 信号量:信号量允许有限数量的线程在同一时刻访问同一资源,当访问这一资源的线程数达到信号量所设置的上限时,其它试图访问资源的线程将被阻塞。
    • 事件:通过发送“通知”形式来实现线程的同步

    Java中常见的线程同步有

    1. volatile关键字:用于解决线程间内存的可见性问题。

    2. Synchronized:  在语法层面提供的一种基于对象监视器的同步锁。

    3. wait()/notify()/notifyAll(): 基于synchronized提供的对象同步锁实现线程同步。

    4. cas操作:基于CPU的CAS指令实现的无阻塞原子操作。

    5. atomic包:基于CAS和Volatile实现的原子操作实现类。

    6. Lock自旋锁:基于CAS操作实现的一种非阻塞乐观锁

    7. Condition条件变量:提供基于Lock锁的条件控制,其await()/signal()/signalAll()方法用于实现类似wait()/notify()/notifyAll()的同步机制。

    8. 线程安全类:提供各种线程安全的容器类或工具对象。

    9. ThreadLocal:每个线程提供临时持有和传递对象的方法。

    10. CountDownLatch: CountDownLatch计数器实现倒计数功能。

    11. CyclicBarrierzhan栅栏: 用于协调线程的步调,确保它们保持一致。

    12. Semaphore信号量:  用于限制访问某个资源的线程数。

    13. Fork/join: fork/join框架,一种支持任务拆分、多任务并行处理与结果合并的框架。

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    1 Thread Dump介绍

    1.1 什么是Thread Dump

    Thread Dump是非常有用的诊断Java应用问题的工具。每一个Java虚拟机都有及时生成所有线程在某一点状态的thread-dump的能力,虽然各个 Java虚拟机打印的thread dump略有不同,但是大多都提供了当前活动线程的快照,及JVM中所有Java线程的堆栈跟踪信息,堆栈信息一般包含完整的类名及所执行的方法,如果可能的话还有源代码的行数。

    1.2 Thread Dump特点

    

    8dd6e39a0a27a4da500d4ee0f3c44ca2.png

    

    1.3 Thread Dump抓取

    一般当服务器挂起,崩溃或者性能低下时,就需要抓取服务器的线程堆栈(Thread Dump)用于后续的分析。在实际运行中,往往一次 dump的信息,还不足以确认问题。为了反映线程状态的动态变化,需要接连多次做thread dump,每次间隔10-20s,建议至少产生三次 dump信息,如果每次 dump都指向同一个问题,我们才确定问题的典型性。

    

    1.操作系统命令获取ThreadDump

    

    a03f640b30d9aefedcb1835d93bf4504.png

    

    注意:

    

    c201be08c5ac05a2ea86a0dc4f3b75a8.png

    

    2.JVM 自带的工具获取线程堆栈

    

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    2.1 Thread Dump信息

    1.头部信息:时间,JVM信息

    

    cf191e0df6421089d9e9bf76d9fd05a0.png

    

    2.线程INFO信息块:

    

    d04137e5f58afc12cda619583f124659.png

    

    05c79aa69c741eb7dc01ebff4664e5e8.png

    

    3.Java thread statck trace详解:

    

    堆栈信息应该逆向解读:程序先执行的是第7行,然后是第6行,依次类推。

    

    b6e482897848f055921dc7db24c8074a.png

    

    也就是说对象先上锁,锁住对象0xb3885f60,然后释放该对象锁,进入waiting状态。为啥会出现这样的情况呢?看看下面的java代码示例,就会明白:

    

    b041c0f8c3b0e6f217b0cf688bf0631e.png

    

    154e5ab8f68cc41874100547b5c03218.png

    

    在堆栈的第一行信息中,进一步标明了线程在代码级的状态,例如:

    

    12ed54d7f6a1a865b19459cd921dbbe2.png

    

    解释如下

    

    ab37ce1b4c5fb39c1b6ba5f48fcd963d.png

    

    2.2 Thread状态分析

    线程的状态是一个很重要的东西,因此thread dump中会显示这些状态,通过对这些状态的分析,能够得出线程的运行状况,进而发现可能存在的问题。线程的状态在Thread.State这个枚举类型中定义

    

    49aebb00473f617e461102b8b2cb034e.png

    

    1.NEW

    

    每一个线程,在堆内存中都有一个对应的Thread对象。Thread t = new Thread();当刚刚在堆内存中创建Thread对象,还没有调用t.start()方法之前,线程就处在NEW状态。在这个状态上,线程与普通的java对象没有什么区别,就仅仅是一个堆内存中的对象

    

    2.RUNNABLE

    

    该状态表示线程具备所有运行条件,在运行队列中准备操作系统的调度,或者正在运行。 这个状态的线程比较正常,但如果线程长时间停留在在这个状态就不正常了,这说明线程运行的时间很长(存在性能问题),或者是线程一直得不得执行的机会(存在线程饥饿的问题)。

    

    3.BLOCKED

    

    线程正在等待获取java对象的监视器(也叫内置锁),即线程正在等待进入由synchronized保护的方法或者代码块。synchronized用来保证原子性,任意时刻最多只能由一个线程进入该临界区域,其他线程只能排队等待。

    

    4.WAITING

    

    处在该线程的状态,正在等待某个事件的发生,只有特定的条件满足,才能获得执行机会。而产生这个特定的事件,通常都是另一个线程。也就是说,如果不发生特定的事件,那么处在该状态的线程一直等待,不能获取执行的机会。比如:

    

    19774b770cd903137f3fd6e12dab0e76.png

    

    5.TIMED_WAITING

    

    J.U.C中很多与线程相关类,都提供了限时版本和不限时版本的API。TIMED_WAITING意味着线程调用了限时版本的API,正在等待时间流逝。当等待时间过去后,线程一样可以恢复运行。如果线程进入了WAITING状态,一定要特定的事件发生才能恢复运行;而处在TIMED_WAITING的线程,如果特定的事件发生或者是时间流逝完毕,都会恢复运行

    

    6.TERMINATED

    

    线程执行完毕,执行完run方法正常返回,或者抛出了运行时异常而结束,线程都会停留在这个状态。这个时候线程只剩下Thread对象了,没有什么用了。

    

    2.3 关键状态分析

    1.Wait on conditionThe thread is either sleeping or waiting to be notified by another thread.

    

    该状态说明它在等待另一个条件的发生,来把自己唤醒,或者干脆它是调用了 sleep(n)。

    

    此时线程状态大致为以下几种:

    

    c26c61202dd32b793dc9b7659060a7a3.png

    

    2.Waiting for Monitor Entry 和 in Object.wait()The thread is waiting to get the lock for an object (some other thread may be holding the lock). This happens if two or more threads try to execute synchronized code. Note that the lock is always for an object and not for individual methods.

    

    在多线程的JAVA程序中,实现线程之间的同步,就要说说 Monitor。Monitor是Java中用以实现线程之间的互斥与协作的主要手段,它可以看成是对象或者Class的锁。每一个对象都有,也仅有一个 Monitor。下面这个图,描述了线程和 Monitor之间关系,以及线程的状态转换图:

    

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    如上图,每个Monitor在某个时刻,只能被一个线程拥有,该线程就是 “ActiveThread”,而其它线程都是 “Waiting Thread”,分别在两个队列“Entry Set”和“Wait Set”里等候。在“Entry Set”中等待的线程状态是“Waiting for monitor entry”,而在“Wait Set”中等待的线程状态是“in Object.wait()”。

    

    先看“Entry Set”里面的线程。我们称为 synchronized保护起来的代码段为临界区。当一个线程申请进入临界区时,它就进入了“Entry Set”队列。对应的 code就像:

    

    38989fa65e9291a3e2cadbd48bca94c3.png

    

    这时有两种可能性:

    

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    在第一种情况下,线程将处于 “Runnable”的状态,而第二种情况下,线程 DUMP会显示处于 “waiting for monitor entry”。如下:

    

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    临界区的设置,是为了保证其内部的代码执行的原子性和完整性。但是因为临界区在任何时间只允许线程串行通过,这和我们多线程的程序的初衷是相反的。如果在多线程的程序中,大量使用 synchronized,或者不适当的使用了它,会造成大量线程在临界区的入口等待,造成系统的性能大幅下降。如果在线程 DUMP中发现了这个情况,应该审查源码,改进程序。

    

    再看“Wait Set”里面的线程。当线程获得了 Monitor,进入了临界区之后,如果发现线程继续运行的条件没有满足,它则调用对象(一般就是被 synchronized 的对象)的 wait() 方法,放弃 Monitor,进入 “Wait Set”队列。只有当别的线程在该对象上调用了 notify() 或者 notifyAll(),“Wait Set”队列中线程才得到机会去竞争,但是只有一个线程获得对象的Monitor,恢复到运行态。在 “Wait Set”中的线程, DUMP中表现为: in Object.wait()。如下:

    

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    综上,一般CPU很忙时,则关注runnable的线程,CPU很闲时,则关注waiting for monitor entry的线程。

    

    3.JDK 5.0 的 Lock

    

    上面提到如果 synchronized和 monitor机制运用不当,可能会造成多线程程序的性能问题。在 JDK 5.0中,引入了 Lock机制,从而使开发者能更灵活的开发高性能的并发多线程程序,可以替代以往 JDK中的 synchronized和 Monitor的 机制。但是,要注意的是,因为 Lock类只是一个普通类,JVM无从得知 Lock对象的占用情况,所以在线程 DUMP中,也不会包含关于 Lock的信息, 关于死锁等问题,就不如用 synchronized的编程方式容易识别。

    

    2.4 关键状态示例

    显示BLOCKED状态

    

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    先获取object的线程会执行5分钟,这5分钟内会一直持有object的监视器,另一个线程无法执行处在BLOCKED状态

    

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    通过thread dump可以看到:t2线程确实处在BLOCKED (on object monitor)。waiting for monitor entry 等待进入synchronized保护的区域

    

    2.显示WAITING状态

    

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    可以发现t1和t2都处在WAITING (on object monitor),进入等待状态的原因是调用了in Object.wait()。通过J.U.C包下的锁和条件队列,也是这个效果,大家可以自己实践下。

    

    3.显示TIMED_WAITING状态

    

    7eedf95f6b238078643fd8a731299425.png

    

    07b41469500446bade78ecbe0bea55c5.png

    

    可以看到t1和t2线程都处在java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (parking),这个parking代表是调用的JUC下的工具类,而不是java默认的监视器

    3.1 问题场景

    1.CPU飙高,load高,响应很慢

    

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    2.查找占用CPU最多的线程

    

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    3.CPU使用率不高但是响应很慢

    

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    4.请求无法响应

    

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    3.2死锁

    死锁经常表现为程序的停顿,或者不再响应用户的请求。从操作系统上观察,对应进程的CPU占用率为零,很快会从top或prstat的输出中消失。

    

    比如在下面这个示例中,是个较为典型的死锁情况:

    

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    在 JAVA 5中加强了对死锁的检测。线程 Dump中可以直接报告出 Java级别的死锁,如下所示:

    

    ae92e4b41f4b3dd14533ed401ad8376b.png

    

    3.33热锁

    热锁,也往往是导致系统性能瓶颈的主要因素。其表现特征为:由于多个线程对临界区,或者锁的竞争,可能出现:

    

    e52383962581a6a9a74a5de808716213.png

    

    上面的描述,都是一个 scalability(可扩展性)很差的系统的表现。从整体的性能指标看,由于线程热锁的存在,程序的响应时间会变长,吞吐量会降低。

    

    那么,怎么去了解 “热锁 ”出现在什么地方呢

    

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    4. JVM重要线程

    JVM运行过程中产生的一些比较重要的线程罗列如下:

    

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    千次阅读 2009-10-27 12:58:00
    临界区内的操作是将公共变量iCount这个个线程的公共变量叠加到50,000,000然后输出,以此证明线程成功进入临界区,满足互斥;因为倘若没有实现互斥,线程间的干扰会导致数据一致性问题而使iCount不能准确加到50,...
  • //OS_CRITICAL_METHOD = 1 :直接用处理器开关中断指令开关中断,这种没有现场保护的方式造成无法进行临界区嵌套,如果有临界区,那么里层退出保护时候直接开了中断,而外层的临界区还没有结束。(关几中断都是...
  • 进程同步与互斥基础

    千次阅读 2013-11-02 15:07:53
    互斥:当一个进程进入临界区使用临界资源是,另一个进程必须等待,当占用临界区资源的进程退出临界区以后才允许进入临界区,访问资源。注意,这里的一个并非卡死就一只能一个进程访问临界资源。当信号量个数大于1...
  • 关于int全变量读写的原子性

    千次阅读 2014-11-21 11:24:25
    关于int全区变量读写的原子性  关于int变量的读写是否原子性网上有很多讨论,貌似不同平台不同,这里自己做实现在arm9平台测试。...对一个int变量赋值是否要进入临界区呢? 以下基于arm920t cpu Sourcer
  • 进程之所以会产生同步和互斥问题,一切源于进程的并发执行。如果是单个进程的话,是不可能产生互斥和同步问题的。...不允许个进程同时处于临界区 临界区外运行的进程不得阻塞其他进程进入临界区 不得
  • 临界区:一只允许一个进程进入 为什么需要临界区个生产者因竞争资源会产生随机的执行顺序,造成信号量的修改不当,信号量语义错误,所以需要保护信号量。 临界区代码的保护原则: 1、基本原则——互斥 2、有空...
  • 为禁止个进程同时进入临界区,同步机制要遵循一下规则: 空闲让进 忙则等待 有限等待 让权等待:若进程不能进入临界区,应让出处理机。 实现临界区互斥的基本方法 软件实现方法 硬件实现方法 信号量 ...
  • Dekker的尝试

    2018-06-23 20:54:35
    第一 要求严格交替第二 个进程可以同时进入临界区,p1执行完while循环之后p2执行while循环,都进入临界区(flag数组从初值都是false)第三 会产生死循环,永远等待第四 过度互斥礼让...
  •  ...进入区-》临界区-》退出区-》剩余区。 (二)进程同步: 个进程之间相互协作,事件之间有先后顺序关系。 (三)进程互斥: 个或多个进程对临界资源的使用,只能是一个使用,一个等待

空空如也

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临界区两次进入