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  • ArrayList在Java多线程中的应用

    千次阅读 2017-07-26 11:55:21
    ArrayList是非线程安全的。

    ArrayList是非线程安全的。

    问题描述

    开发中,存在这样的业务逻辑,类似倒金字塔结构,下层数据需要基于上层的数据进行逻辑计算。设计思路是:定义一个全局变量upLayerList,来保存上一层的数据。每一层计算仅需要知道upLayerList就可以,不用关心上一层数据怎么获取。当前层计算完毕后,把结果赋值给upLayerList,留给下一层使用。

    问题重现

    模拟业务逻辑实现:

    这里写图片描述

    实现多线程:

    这里写图片描述

    正常的输出:

    Runner1 : [1, 2, 3]
    Runner2 : [4, 5, 6]

    实际输出:

    这里写图片描述

    线程1和线程2修改了彼此的list。

    解决方案1

    使用同步关键字synchronized

    这里写图片描述

    线程1和线程2交叉运行输出:

    这里写图片描述

    解决方案2

    传值,每一层都传upLayerList。

    这里写图片描述

    实际测试结果:

    这里写图片描述

    其他解决方案

    定义变量:uplayerList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());,uplayerList 是线程安全的,但是后面对uplayerList 的操作不是线程安全的。需要对操作加同步关键字synchronized

    扩展

    ArrayList和Vector以及synchronizedList

    以上是针对实际问题的2种解决方案,欢迎留言指正。

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  • 单线程的模式下,我们针对某个变量的修改是不会产生数据的脏读和脏写的,因为它只有一个操作来对变量进行读写操作,但是在多线程模式下就不一样了,如果多个线程对一个变量进行修改操作,那么到底哪一个线程修改的...

           在单线程的模式下,我们针对某个变量的修改是不会产生数据的脏读和脏写的,因为它只有一个操作来对变量进行读写操作,但是在多线程模式下就不一样了,如果多个线程对一个变量进行修改操作,那么到底哪一个线程修改的值才是最后的值呢?同时是不是我们需要的值呢?那么我们如何来保证多个线程修改变量值的时候保证变量的原子操作?简单说明下原子操作就是一个步骤要么操作全部成功,要么失败。我们看下i++这个操作,对于不了解这个i++操作生成的二进制文件的具体同学来说,可能会认为它是只有一个操作步骤的运算操作,但是实际情况肯定不是的,它首先会去获取字段i,然后在获取i的值,然后在进行加1操作,最后对i进行赋值,这里就进行了4个步骤,如果在第2个步骤的时候另外一个线程也来进行了i++操作,那么可想而知最终得到的结果可能就不是自己想要的了。那么我们如何保证i++的原子操作呢?这个时候肯定大家也能想到用同步啊,synchronized关键字和Lock锁都可以进行同步的控制,当然这也是正确的,但是我们今天所说的多线程原子操作是通过jdk提供的JUC包实现的原子操作,如AtomicInteger,AtomicReference等原子操作类,在JUC包中的原子类操作基本都实现了CAS(compare and swap)操作,当对某个值进行改变时CAS会先对当前值进行比较,如果正确才进行值的交换即更新值,CAS操作是在硬件资源上直接进行的操作,是由处理器提供的内存操作指令,由其保证原子性。通过查看相关的JUC包,可以看到很多Unsafe类方法的使用,这个类提供了很多native方法的使用,因为是不安全的类,所以自己想使用的话,必须自己去通过反射进行获取来进行操作。

            虽然说JUC包提供了很多原子的CAS操作,但是它一次只能针对一个变量进行CAS操作,不能进行多个变量的操作,同时因为要不停的进行CAS的判断和交换值操作,所以线程会一直处于高频的运行中,如果其中一个线程处理时间过长,那么就会带来CPU的高性能消耗,同时CAS操作还会出现一种叫做ABA的问题,即当前值是A,将它换做B,然后又由B换做A,那么就无法判断A是否在这期间发生过变化,因为最终值没有变化,如果在AB的时候有其他线程来进行了操作A操作,而该线程在休眠时间内又从B变回了A,而此时A的指向已经发生改变,那这种改变带来的结果是其他线程对A的操作已经发生改变,得到的结果也可能发生变化,那么怎么来解决这个ABA的问题呢?我们可以采用类似版本号的控制机制来实现避免ABA这种问题,在JUC包中提供了AtomicStampedReference类,它提供了一个版本控制的判断,我们使用以下代码运行后可以看到不同的结果

    public class AtomicStampedReferenceTest {
    
        public static void main(String [] args){
            AtomicStampedReference reference = new AtomicStampedReference(0,0);
            new Thread(() ->{
                reference.compareAndSet(0,1,0,1);
                System.out.println(reference.getReference() + "--->" + reference.getStamp());
            }).start();
    
            new Thread(() ->{
                reference.compareAndSet(0,1,1,2);
                System.out.println(reference.getReference() + "--->" + reference.getStamp());
            }).start();
    
            new Thread(() ->{
                reference.compareAndSet(1,2,1,2);
                System.out.println(reference.getReference() + "--->" + reference.getStamp());
            }).start();
        }

     

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  • 探究Java多线程中线程的本质

    万次阅读 2020-09-01 15:17:31
    如果想要理解java中线程,需要学习linux系统中线程的原语,然后自定义MyThread实现Thread的功能更加深入的理解。 linux系统中线程的原语 linux,创建一个线程的函数为pthread_create,其定义如下: int ...

    线程的本质

    如果想要理解java中的线程,需要学习linux系统中线程的原语,然后自定义MyThread实现Thread的功能更加深入的理解。

    linux系统中线程的原语

    在linux中,创建一个线程的函数为pthread_create,其定义如下:

    int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
    

    可以使用man pthread_create查看帮助,下面对四个参数进行简单的说明:

    参数名字 参数说明
    pthread_t *thread 传出参数,调用之后会传出被创建线程的id
    const pthread_attr_t *attr 设置线程的属性,一般传NULL,保持默认属性
    void *(*start_routine) (void *) 线程的启动后的主体函数,需要你定义一个函数,然后传函数名即可
    void *arg 主体函数的参数,没有可以传null

    C语言启动一个线程

    代码如下:

    # cat threaddemo.c 
    #include <pthread.h>
    #include <stdio.h>
    
    pthread_t tid;
    
    void* run(void* arg) {
        printf("I am a thread from c.\n");
    }
    
    int main() {
        
        pthread_create(&tid, NULL, run, NULL);
        sleep(1);
        printf("main end \n");
        return 0;
    }
    

    编译:gcc threaddemo.c -o threaddemo.out -pthread

    运行结果如下:

    # ./threaddemo.out 
    I am a thread from c.
    main end 
    

    在java中启动一个线程

    在java中启动一个线程,最简单的代码如下:

    package com.morris.concurrent.thread.os;
    
    public class ThreadDemo {
    
        public static void main(String[] args) {
            Thread t = new Thread(){
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("I am a thread.");
                }
            };
            t.start();
        }
    
    }
    

    追踪thread.start()方法的源码:

        public synchronized void start() {
    
            if (threadStatus != 0)
                throw new IllegalThreadStateException();
    
            group.add(this);
    
            boolean started = false;
            try {
                start0(); // jni调用本地方法
                started = true;
            } finally {
                try {
                    if (!started) {
                        group.threadStartFailed(this);
                    }
                } catch (Throwable ignore) {
                    /* do nothing. If start0 threw a Throwable then
                      it will be passed up the call stack */
                }
            }
        }
    
        private native void start0();
    

    可以看到这个方法最核心的就是调用了一个start0方法,而start0方法又是一个native方法,故而如果要搞明白start0我们需要查看Hotspot的源码。

    Thread.c中定义了java中Thread类中的本地方法与c语言方法的映射:

    static JNINativeMethod methods[] = {
        {"start0",           "()V",        (void *)&JVM_StartThread},
        {"stop0",            "(" OBJ ")V", (void *)&JVM_StopThread},
        {"isAlive",          "()Z",        (void *)&JVM_IsThreadAlive},
        {"suspend0",         "()V",        (void *)&JVM_SuspendThread},
    

    jvm.h中声明了JVM_StartThread方法:

    /*
     * java.lang.Thread
     */
    JNIEXPORT void JNICALL
    JVM_StartThread(JNIEnv *env, jobject thread);
    

    jvm.cpp中JVM_StartThread的实现:

    JVM_ENTRY(void, JVM_StartThread(JNIEnv* env, jobject jthread))
      JVMWrapper("JVM_StartThread");
      JavaThread *native_thread = NULL;
    
      bool throw_illegal_thread_state = false;
    
      {
        MutexLocker mu(Threads_lock);
    
        if (java_lang_Thread::thread(JNIHandles::resolve_non_null(jthread)) != NULL) {
          throw_illegal_thread_state = true;
        } else {
          jlong size =
                 java_lang_Thread::stackSize(JNIHandles::resolve_non_null(jthread));
          NOT_LP64(if (size > SIZE_MAX) size = SIZE_MAX;)
          size_t sz = size > 0 ? (size_t) size : 0;
          // 创建了一个JavaThread c++对象,看JavaThread的构造方法
          native_thread = new JavaThread(&thread_entry, sz);
    
          if (native_thread->osthread() != NULL) {
            // Note: the current thread is not being used within "prepare".
            native_thread->prepare(jthread);
          }
        }
      }
    

    JavaThread c++对象定义在thread.hpp中:

    ...c
    class JavaThread: public Thread {
    ...
    

    JavaThread的构造方法实现位于thread.cpp中:

    JavaThread::JavaThread(ThreadFunction entry_point, size_t stack_sz) :
                           Thread() {
      initialize();
      _jni_attach_state = _not_attaching_via_jni;
      set_entry_point(entry_point);
      // Create the native thread itself.
      // %note runtime_23
      os::ThreadType thr_type = os::java_thread;
      thr_type = entry_point == &compiler_thread_entry ? os::compiler_thread :
                                                         os::java_thread;
      // 调用具体系统的函数创建线程
      os::create_thread(this, thr_type, stack_sz);
    
    }
    

    在linux下会调用到os_linux.cpp中

    bool os::create_thread(Thread* thread, ThreadType thr_type,
                           size_t req_stack_size) {
      assert(thread->osthread() == NULL, "caller responsible");
    
      ...
    
      ThreadState state;
    
      {
        pthread_t tid;
        // 调用pthread_create
        int ret = pthread_create(&tid, &attr, (void* (*)(void*)) thread_native_entry, thread);
    
        ...
    
      }
    

    总结:Java中创建的线程底层实际上是通过JNI调用操作系统函数pthread_create创建的。

    上面的源码跟踪过程可以通过调试OpenJDK源码获得,要调试的代码需要放入编译后的JDK/bin目录中(相当于放入classpath)。

    手写Thread

    1. MyThread.java源码
    package com.morris.concurrent.thread.os;
    
    public class MyThread {
    
        static {
            System.loadLibrary("MyThreadNative");
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            MyThread t = new MyThread();
            t.start0();
        }
    
        private native void start0();
    }
    
    1. 编译和生成头文件:javac -h MyThread.java,这里使用的openjdk11,如果是jdk8,需要使用javac命令编译成class,然后再使用javah命令生成头文件。
    # cat MyThread.h
    /* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
    #include <jni.h>
    /* Header for class MyThread */
    
    #ifndef _Included_MyThread
    #define _Included_MyThread
    #ifdef __cplusplus
    extern "C" {
    #endif
    /*
     * Class:     MyThread
     * Method:    start0
     * Signature: ()V
     */
    JNIEXPORT void JNICALL Java_MyThread_start0
      (JNIEnv *, jobject);
    
    #ifdef __cplusplus
    }
    #endif
    #endif
    
    1. mythread.c,注意这里面的方法名与Java_MyThread_start0与头文件中声明的保持一致,最开始要引入头文件MyThread.h
    #include "MyThread.h" // 引入头文件
    #include <pthread.h> 
    #include <stdio.h>
    
    pthread_t tid;
    
    void* run(void* arg) {
        printf("I am a thread from c.\n");
    }
    
    Java_MyThread_start0(JNIEnv *env, jobject c1) { pthread_create(&tid, NULL, run, NULL);
        sleep(1);
        printf("main end \n");
    }
    
    1. 将mythread.c编译成so文件,so文件名必须以lib开头,后面拼接上Java代码中加载的库名称,这样才能被java程序加载到:
    # gcc -fPIC -I /usr/local/jdk-11.0.8/include/ -I /usr/local/jdk-11.0.8/include/linux/ -shared -o libMyThreadNative.so mythread.c
    
    1. 把so文件所在的目录添加到系统变量,不然java还是load不到
    # export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/root/code/c
    
    1. 运行(如果有包名的需要包的外面去运行java命令):
    # java MyThread
    I am a thread from c.
    main end 
    
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  • Java多线程之暂停线程

    千次阅读 2019-08-11 01:23:13
    在Java多线程中,suspend()方法可以暂停线程,resume()方法可以恢复线程。 这两个方法都是已经过时的方法。 1.8.1suspend与resume方法的使用 package cn.zxyy.multiThread.Thread.suspendThread; public class ...

    暂停线程

    暂停线程意味着此线程还可以恢复运行。在Java多线程中,suspend()方法可以暂停线程,resume()方法可以恢复线程。

    这两个方法都是已经过时的方法。

    1.8.1suspend与resume方法的使用

    package cn.zxyy.multiThread.Thread.suspendThread;
    
    public class MyThread extends Thread {
        private long i = 0;
    
        public long getI() {
            return i;
        }
    
        public void setI(long i) {
            this.i = i;
        }
    
        @Override
        public void run() {
            while(true){
                i++;
            }
        }
    }
    
    package cn.zxyy.multiThread.Thread.suspendThread;
    
    public class MyThreadTest {
        public static void main(String[] args) {
            try{
                MyThread myThread = new MyThread();
                myThread.start();
                Thread.sleep(5000);//主线程睡觉5秒,myThread开始运行,计算i的值,
                myThread.suspend();//然后myThread线程暂停了,主线程睡完5秒后,又开始执行就打印下面的i值
                System.out.println("A = " + System.currentTimeMillis() + " i = " +myThread.getI());
                Thread.sleep(5000);//打印之后又睡5秒,
                System.out.println("A = " + System.currentTimeMillis() + " i = " +myThread.getI());//这里我们可以看到i值没有发生变化,说明myThread线程被暂停了
                myThread.resume();//使myThread线程恢复运行状态
                Thread.sleep(5000);//主线程睡5秒,这时myThread线程在运行
                myThread.suspend();
                System.out.println("B = " + System.currentTimeMillis() + " i = " +myThread.getI());//再次打印i值发生变化,说明这5秒myThread线程已经被恢复了,并且在运行
                Thread.sleep(5000);//主线程再睡5秒,myThread线程被暂停
    
                System.out.println("B = " + System.currentTimeMillis() + " i = " +myThread.getI());//这时再对myThread线程暂停,它又开始不计算值
            }catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    从运行结果上看,在 主线程休眠的5秒钟内,myThread线程一直在运行,主线程休眠完毕后,调用suspend方法使myThread线程暂停,myThread线程暂停运行。主线程再次休眠5秒,这5秒内,myThread线程还处于暂停状态,直到resume方法被调用,myThread线程才重新开始运行。

    1.8.2 suspend与resume方法的缺点----独占

    使用suspend方法与resume方法时,如果使用不当,会造成公共的同步对象的独占,使得其他线程无法访问公共的同步对象。

    package cn.zxyy.multiThread.Thread.suspendThread;
    
    public class SynchronizedObject {
        synchronized public void printString(){
            System.out.println("begin");
            if("a".equals(Thread.currentThread().getName())){
                System.out.println("a线程永远suspend了");
                Thread.currentThread().suspend();
            }
            System.out.println("end");
        }
    }

     

    package cn.zxyy.multiThread.Thread.suspendThread;
    
    public class Run2 {
        public static void main(String[] args) {
            try{
                final SynchronizedObject synchronizedObject = new SynchronizedObject();
                Thread thread1 = new Thread(){
                    @Override
                    public void run() {
                        synchronizedObject.printString();
                    }
                };
                thread1.setName("a");
                thread1.start();
                Thread.sleep(1000);
                Thread thread2 = new Thread(){
                    @Override
                    public void run() {
                        System.out.println("thread2启动了,但是进入不了printString方法,");
                        System.out.println("因为thread1拿到了synchronized锁,但是一直没有释放");
                        synchronizedObject.printString();
                    }
                };
                thread2.start();
            }catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    从运行结果上分析,printString方法时同步方法,也就是说该方法的锁对象是当前的object对象,创建多个线程并启动,当a线程开始执行run方法,打印begin后,a线程进入了暂停状态,这时它还在持有锁,并没有释放锁,所以当b线程启动后,进入run方法,可以执行前两句代码,但是等到执行printString方法的时候,由于a线程没有释放锁,所以线程b拿不到锁,无法进入printString方法。

    所以同步方法持有锁对象才能进入,上面的方法时我们自己定义的,可以避免,还有一些Java中提供的代码,可能稍不注意,也会导致独占的情况,举个例子,我们先来看下面的代码执行:

    public class MyThread2 extends Thread {
        private int i = 0;
    
        @Override
        public void run() {
            while(true){
                i++;
            }
        }
    }

     

    package cn.zxyy.multiThread.Thread.suspendThread;
    
    public class MyThread2Test {
        public static void main(String[] args) {
            try{
                MyThread2 thread = new MyThread2();
                thread.start();
                Thread.sleep(1000);
                thread.suspend();
                System.out.println("main end ");//打印了main end
            }catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
    
        }
    }

       

    修改代码再次运行:

    public class MyThread2 extends Thread {
        private int i = 0;
    
        @Override
        public void run() {
            while(true){
                i++;
                System.out.println(i);//如果加上了sout(i),那么就被独占了,因为println方法有synchronized修饰,所以无法释放锁,就不再打印main end了
            }
        }
    }

    从上面两个图看运行结果,为什么左图打印了"main end",而右图没有打印呢?

    原因是println方法,看看println方法的源码:

    从源码中可以看到,println方法内部是同步代码块,也就是说 当thread线程执行到打印语句时,会拿到一个锁,然后thread线程被暂停了,锁没有释放,主线程也有println方法,它这时候是拿不到锁的,所以这里也会出现独占的问题。

    1.8.3 suspend与resume方法的缺点----不同步

    package cn.zxyy.multiThread.Thread.suspendAndResume;
    
    public class MyObject {
        private String username = "1";
        private String password = "11";
    
        public void setValue(String u,String p){
            this.username = u;
            if("a".equals(Thread.currentThread().getName())){
                System.out.println("a线程永远暂停了");
                Thread.currentThread().suspend();
            }
            this.password = p;
        }
    
        public void printUsernamePassword(){
            System.out.println(username+" "+password);
        }
    }
    package cn.zxyy.multiThread.Thread.suspendAndResume;
    
    public class MyObjectTest {
        public static void main(String[] args) {
            try{
                final MyObject obj = new MyObject();
                Thread thread1 = new Thread(){
                    @Override
                    public void run() {
                        obj.setValue("a","aa");
                    }
                };
                thread1.setName("a");
                thread1.start();
                Thread.sleep(1000);
                Thread thread2 = new Thread(){
                    @Override
                    public void run() {
                        obj.printUsernamePassword();
                    }
                };
                thread2.start();
            }catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    从运行结果可以看到,两个线程启动会调用设置值和获取值的方法,出现了脏读的情况,这是因为suspend的方法和resume方法不同步造成的,也就是说当线程a只修改了username的时候,线程b已经运行,获取的值就是新的username,而password还是旧值。

    总结:虽然suspend方法和resume方法都已经过时,但是我们需要知道它的缺点:

    1.suspend方法暂停线程时,如果有锁的情况不会释放锁,容易造成其他线程无法持有锁,而无法进入run方法。

    2.suspend方法和resume方法不是同步方法,可能造成脏读环境。

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