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java线程简介(同步详细信息)

发布时间:2019-09-12 17:47:06

1、互斥

在共享对数据的访问中,我们讨论了 synchronized 块的特征,并在实现典型互斥锁(即,互斥或临界段)时说明了它们,其中每次只有一个线程可以执行受给定锁保护的代码块。

互斥是同步所做工作的重要部分,但同步还有其它几种特征,这些特征对于在多处理器系统上取得正确结果非常重要。

2、可见性

除了互斥,同步(如 volatile)强制某些可见性约束。当对象获取锁时,它首先使自己的高速缓存无效,这样就可以保证直接从主内存中装入变量。

同样,在对象释放锁之前,它会刷新其高速缓存,强制使已做的任何更改都出现在主内存中。

这样,会保证在同一个锁上同步的两个线程看到在 synchronized 块内修改的变量的相同值。

3、什么时候必须同步?

要跨线程维护正确的可见性,只要在几个线程之间共享非 final 变量,就必须使用 synchronized(或 volatile)以确保一个线程可以看见另一个线程做的更改。

可见性同步的基本规则是在以下情况中必须同步:

读取上一次可能是由另一个线程写入的变量

写入下一次可能由另一个线程读取的变量

4、用于一致性的同步

除了用于可见性的同步,从应用程序角度看,您还必须用同步来确保一致性得到了维护。当修改多个相关值时,您想要其它线程原子地看到这组更改 — 要么看到全部更改,要么什么也看不到。这适用于相关数据项(如粒子的位置和速率)和元数据项(如链表中包含的数据值和列表自身中的数据项的链)。

考虑以下示例,它实现了一个简单(但不是线程安全的)的整数堆栈:

public class UnsafeStack {

public int top = 0;

public int[] values = new int[1000];

public void push(int n) {

values[top++] = n;

}

public int pop() {

return values[--top];

}

}

5、递增共享计数器

通常,如果正在保护一个基本变量(如一个整数),有时只使用 volatile 就可以侥幸过关。但是,如果变量的新值派生自以前的值,就必须使用同步。为什么?考虑这个类:

public class Counter {

private int counter = 0;

public int get() { return counter; }

public void set(int n) { counter = n; }

public void increment() {

set(get() + 1);

}

}

当我们要递增计数器时,会发生什么?请看 increment() 的代码。它很清楚,但不是线程安全的。如果两个线程试图同时执行 increment(),会发生什么?计数器也许会增加 1,也许增加 2。令人惊奇的是,把 counter 标记成 volatile 没有帮助,使 get() 和 set() 都变成 synchronized 也没有帮助。

设想计数器是零,而两个线程同时执行递增操作代码。这两个线程会调用 Counter.get(),并且看到计数器是零。现在两个线程都对它加一,然后调用 Counter.set()。如果我们的计时不太凑巧,那么这两个线程都看不到对方的更新,即使 counter 是 volatile,或者 get() 和 set() 是 synchronized。现在,即使计数器递增了两次,得到的值也许只是一,而不是二。

要使递增操作正确运行,不仅 get() 和 set() 必须是 synchronized,而且 increment() 也必需是 synchronized!否则,调用 increment() 的线程可能会中断另一个调用 increment() 的线程。如果您不走运,最终结果将会是计数器只增加了一次,不是两次。同步 increment() 防止了这种情况的发生,因为整个递增操作是原子的。

当循环遍历 Vector 的元素时,同样如此。即使同步了 Vector 的方法,但在循环遍历时,Vector 的内容仍然会更改。如果要确保 Vector 的内容在循环遍历时不更改,必须同步整个代码块。

6、不变性和 final 字段

许多 Java 类,包括 String、Integer 和 BigDecimal,都是不可改变的:一旦构造之后,它们的状态就永远不会更改。如果某个类的所有字段都被声明成 final,那么这个类就是不可改变的。(实际上,许多不可改变的类都有非 final 字段,用于高速缓存以前计算的方法结果,如 String.hashCode(),但调用者看不到这些字段。)

不可改变的类使并发编程变得非常简单。因为不能更改它们的字段,所以就不需要担心把状态的更改从一个线程传递到另一个线程。在正确构造了对象之后,可以把它看作是常量。

同样,final 字段对于线程也更友好。因为 final 字段在初始化之后,它们的值就不能更改,所以当在线程之间共享 final 字段时,不需要担心同步访问。

7、什么时候不需要同步

在某些情况中,您不必用同步来将数据从一个线程传递到另一个,因为 JVM 已经隐含地为您执行同步。这些情况包括:

由静态初始化器(在静态字段上或 static{} 块中的初始化器)初始化数据时

访问 final 字段时

在创建线程之前创建对象时

线程可以看见它将要处理的对象时

8、死锁

只要您拥有多个进程,而且它们要争用对多个锁的独占访问,那么就有可能发生死锁。如果有一组进程或线程,其中每个都在等待一个只有其它进程或线程才可以执行的操作,那么就称它们被死锁了。

最常见的死锁形式是当线程 1 持有对象 A 上的锁,而且正在等待与 B 上的锁,而线程 2 持有对象 B 上的锁,却正在等待对象 A 上的锁。这两个线程永远都不会获得第二个锁,或者释放第一个锁。它们只会永远等待下去。

要避免死锁,应该确保在获取多个锁时,在所有的线程中都以相同的顺序获取锁。

9、性能考虑事项

关于同步的性能代价有许多说法 — 其中有许多是错的。同步,尤其是争用的同步,确实有性能问题,但这些问题并没有象人们普遍怀疑的那么大。

许多人都使用别出心裁但不起作用的技巧以试图避免必须使用同步,但最终都陷入了麻烦。一个典型的示例是双重检查锁定模式(请参阅参考资料,其中有几篇文章讲述了这种模式有什么问题)。这种看似无害的结构据说可以避免公共代码路径上的同步,但却令人费解地失败了,而且所有试图修正它的尝试也失败了。

在编写并发代码时,除非看到性能问题的确凿证据,否则不要过多考虑性能。瓶颈往往出现在我们最不会怀疑的地方。投机性地优化一个也许最终根本不会成为性能问题的代码路径 — 以程序正确性为代价 — 是一桩赔本的生意。

10、同步准则

当编写 synchronized 块时,有几个简单的准则可以遵循,这些准则在避免死锁和性能危险的风险方面大有帮助:

使代码块保持简短。Synchronized 块应该简短 — 在保证相关数据操作的完整性的同时,尽量简短。把不随线程变化的预处理和后处理移出 synchronized 块。

不要阻塞。不要在 synchronized 块或方法中调用可能引起阻塞的方法,如 InputStream.read()。

在持有锁的时候,不要对其它对象调用方法。这听起来可能有些极端,但它消除了最常见的死锁源头。

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