java 並發性和多線程 -- 讀感 (二線程間通訊，共享內存的機制)

本文轉載自查看原文 2016-11-01 17:06 3951 java多線程/ 共享內存

參考文章：http://ifeve.com/java-concurrency-thread-directory/

其中的競態，線程安全，內存模型，線程間的通信，java ThreadLocal類小節部分內容。

線程的基本概念：介紹線程的優點，代價，並發編程的模型。如何創建運行java 線程。

線程間通訊，共享內存的機制：競態條件與臨界區，線程安全和共享資源與不可變性。java內存模型，線程間的通信，java ThreadLocal類，線程信號

死鎖相關，資源競爭相關：死鎖，如何避免死鎖，飢餓和公平，嵌套管程鎖死，Slipped conditions(從一個線程檢查某一特定條件到該線程操作此條件期間，這個條件已經被其它線程改變，導致第一個線程在該條件上執行了錯誤的操作),鎖，讀鎖和寫鎖，重入寫死，信號量，阻塞隊列，線程池，CAS(compare and swap 理論)，同步器，無阻塞算法，阿姆達爾定律(計算處理器平行運算之后效率提升的能力)。

2.競態條件與臨界區

當多個線程訪問了相同的資源，並且對這些資源做了寫操作的時候，是不安全的。資源可以代表：同一內存區（變量，數組或者對象），系統(數據庫，web services)或文件。

對於一個簡單的加法操作 this.count = this.count + value，JVM執行指令的順序應該是：

從內存獲取 this.count 值放到寄存器

將寄存器的值添加value

將寄存器的值寫會內存

如果兩個線程交叉執行，一個線程加2 一個線程加3，可能最后的結果不是5，而是2 或者3.

競態條件：兩個線程競爭同一個資源時，如果對資源訪問順序敏感，就存在競態條件。

臨界區：導致競態條件發生的代碼區成為臨界區。

在臨界區適當的同步可以避免競態條件。

3.線程安全與共享資源

允許被多個線程同時執行的代碼稱為線程安全的代碼。線程安全的代碼不包含競態條件。

1.局部變量

1.1局部基本類型變量是存儲在線程自己的棧中的，所以基礎類型的局部變量是線程安全的。

1.2.局部對象引用引用所指向的對象沒有存儲到線程的棧內。所有的對象都在共享堆中。

兩段代碼，不管是基礎類型還是引用對象，它們都是局部變量，由於都沒有被其他線程獲取，是線程安全的。

public void someMethod(){
    long threadSafeInt = 0;
    threadSafeInt++;
}

public void someMethod(){
    LocalObject localObject = new LocalObject();
    localObject.callMethod();
    method2(localObject);
}

public void method2(LocalObject localObject){
    localObject.setValue("value");
}

2.對象成員

對象成員是存儲在堆上。如果兩個線程同時更新同一個對象的同一成員，這個代碼就是線程不安全的。

public class NotThreadSage{
    StringBuilder builder = New StringBuilder();
    public add(String text) {
        this.builder.append(text);
    }
}

線程控制逃逸判斷

一個資源的創建，使用銷毀都在同一個線程內完成，且永遠不會脫離該線程的控制。

即使對象本身線程安全，但是該對象中包含的其他的資源，也許整體的應用不是線程安全的。

3.線程安全及不可變性

immutable 和 read only 的差別：當一個變量是只讀的時候，變量的值不可改變，但是可以在其他變量發生改變的時候發生改變。而不變是不會改變的。

4.java 內存模型

java內存模型規范了java虛擬機與計算機內存如何協同工作的。

每個java虛擬機的線程都擁有自己的線程棧，包括了這個線程調用的方法當前執行點的相關信息。一個線程只能訪問自己的線程棧。本地變量只對當前線程可見。

對象是放在堆上。

每個線程都有自己的線程棧，如果是基本類型的變量，直接存放在線程棧中，如果是對象的引用，那么引用地址會放在線程棧中，而對象會在堆中，這樣有可能存在兩個線程同時引用相同的對象。

public class MyRunnable implements Runnable() {

    public void run() {
        methodOne();
    }

    public void methodOne() {
        int localVariable1 = 45;

        MySharedObject localVariable2 =
            MySharedObject.sharedInstance;

        //... do more with local variables.

        methodTwo();
    }

    public void methodTwo() {
        Integer localVariable1 = new Integer(99);

        //... do more with local variable.
    }
}


public class MySharedObject {

    //static variable pointing to instance of MySharedObject

    public static final MySharedObject sharedInstance =
        new MySharedObject();


    //member variables pointing to two objects on the heap

    public Integer object2 = new Integer(22);
    public Integer object4 = new Integer(44);

    public long member1 = 12345;
    public long member1 = 67890;
}

兩個線程啟動后，Object3就是 MySharedObject，而Object2，Object4 是 MySharedObject中的 object2 和 Object4.

現代硬件內存架構

Java內存模型和硬件內存架構之間的橋接

硬件內存架構中沒有區分線程棧和堆。對於硬件所有線程棧和堆都是分布在主存中。部分線程棧和堆可能出現在CPU緩存和CPU內部的寄存器中。

當對象和變量被存放在計算機不同的內存區域中時，會有一些問題：

1.線程對共享變量修改的可見性。— 兩個線程分布運行在不同的CPU上時，線程的部分變量沒有刷新回主存，此時可能會導致不同步。可以使用 volatile 來避免。

2.當讀，寫和檢查共享變量時出現race conditions。多個線程同時修改共享內存的值，如下圖：

可以使用java同步塊，這樣同一時刻只能有一個線程可以進入代碼的臨界區。同步塊還可以保證代碼塊中所有被訪問的變量從主存中讀入，當線程退出同步塊時，所有被更新的變量也會被刷新回主存中，無論該變量是否被聲明為volatile.

5.java 同步塊

java同步塊 (synchronized block) 用來標記方法或者代碼塊是同步的。用來避免競爭。

java同步關鍵字:synchronized 所有其他等待進入該同步塊的線程將被阻塞，直到執行該同步塊的線程退出。

四種不同的同步塊：

實例方法；靜態方法；實例方法中的同步塊；靜態方法中的同步塊。——都是方法上的同步塊。

實例方法同步：

  public synchronized void add(int value){
      this.count += value;
  }

　　每個實例其方法同步都是同步在不同的對象上。這樣每個實例方法同步都同步在不同的對象上，即該方法所屬的實例，只有一個線程可以在實例方法同步塊中運行。一個實例一個線程。

靜態方法同步：

public static synchronized void add(int value){
    count += value;
}

靜態方法同步是指同步在該方法上所在的類對象上的。java虛擬機中一個類只能對應一個類對象，所以同時只允許一個線程執行同一個類中的靜態同步方法。不管類中的哪個靜態同步方法被調用，一個類只能由一個線程同時執行。

實例方法中同步塊:

  public void add(int value){
    synchronized(this){
       this.count += value;   
    }
  }

示例中使用的this 是代表的調用add方法的實例本身。在同步構造器中用括號括起來的對象叫做監視器對象。

靜態方法中同步塊:

public class MyClass {

    public static synchronized void log1(String msg1, String msg2){
       log.writeln(msg1);
       log.writeln(msg2);
    }

 
    public static void log2(String msg1, String msg2){
       synchronized(MyClass.class){
          log.writeln(msg1);
          log.writeln(msg2); 
       }
    }
  }

兩個方法不允許同時被線程訪問。

如果第二個同步塊不是同步在MyClass.class這個同步器上，這兩個方法可以同時被線程訪問。

java同步示例:

 public class Counter{
     
     long count = 0;
   
     public synchronized void add(long value){
       this.count += value;
     }
  }
 
 
  public class CounterThread extends Thread{

     protected Counter counter = null;

     public CounterThread(Counter counter){
        this.counter = counter;
     }

     public void run() {
        for(int i=0; i<10; i++){
           counter.add(i);
        }
     }
  }
  public class Example {

    public static void main(String[] args){
      Counter counter = new Counter();
      Thread  threadA = new CounterThread(counter);
      Thread  threadB = new CounterThread(counter);

      threadA.start();
      threadB.start(); 
    }
  }

由於兩個線程都是共用一個counter實例，所以add()被調用的時候是同步的，只有一個線程可以調用，另外一個需要等待。

  public class Example {

    public static void main(String[] args){
      Counter counterA = new Counter();
      Counter counterB = new Counter();
      Thread  threadA = new CounterThread(counterA);
      Thread  threadB = new CounterThread(counterB);

      threadA.start();
      threadB.start(); 
    }
  }

　　　這個時候兩個線程就可以同時調用add()方法，因為它們分別在不同的實例中。

6.線程通信

線程通信的目的是使線程間可以互相發送信號。

方式：

1.通過共享對象通信

public class MySignal{

  protected boolean hasDataToProcess = false;

  public synchronized boolean hasDataToProcess(){
    return this.hasDataToProcess;
  }

  public synchronized void setHasDataToProcess(boolean hasData){
    this.hasDataToProcess = hasData; 
  }

}

　　兩個線程獲得指向一個MySingal共享實例的引用，以便通信。同時獲取變量的方法設置為同步方法，防止線程不一致。

　　2.忙等待(Busy Wait)

protected MySignal sharedSignal = ...

...

while(!sharedSignal.hasDataToProcess()){
  //do nothing... busy waiting
}

　線程B一直在等待數據。但是感覺這里和前面獲取共享變量是一個原理。

　　3.wait(),notify()和 notifyAll()

　　wait()調用后就處於非運行狀態，直到另外一個線程調用了同一個對象的notify()方法。同時線程必須獲取這個對象的鎖才能調用。

public class MonitorObject{
}

public class MyWaitNotify{

  MonitorObject myMonitorObject = new MonitorObject();

  public void doWait(){
    synchronized(myMonitorObject){
      try{
        myMonitorObject.wait();
      } catch(InterruptedException e){...}
    }
  }

  public void doNotify(){
    synchronized(myMonitorObject){
      myMonitorObject.notify();
    }
  }
}

調用這個對象的notify() 的時候，有一個wait的線程會被隨機喚醒，同時也有一個notifyAll()方法來喚醒所有線程。

一旦線程調用了wait()方法，就釋放了所持有的監視器對象上的鎖，就允許了其他線程也可以調用wait()或者notify().同時一個線程被喚醒不是立刻就退出wait()的方法，直到調用notify()的線程退出了自己的同步塊。

4.丟失信號

由於notify()和notifyAll()不會保存調用它們的方法，他們發送的信號如果在wait()之前就有可能丟失，這個時候必須把他們保存在信號類里。

public class MyWaitNotify2{

  MonitorObject myMonitorObject = new MonitorObject();
  boolean wasSignalled = false;

  public void doWait(){
    synchronized(myMonitorObject){
      if(!wasSignalled){
        try{
          myMonitorObject.wait();
         } catch(InterruptedException e){...}
      }
      //clear signal and continue running.
      wasSignalled = false;
    }
  }

  public void doNotify(){
    synchronized(myMonitorObject){
      wasSignalled = true;
      myMonitorObject.notify();
    }
  }
}

應該就是借助一個變量來記錄是否調用過Notify()。

　　5.假喚醒

有時由於莫名其妙的原因，線程可能在沒有掉用過notify()和 notifyAll()的情況下醒來。防止假喚醒，保存信號的成員變量會檢查是否是自己的信號，如果不是的話，就繼續wait()。

public class MyWaitNotify3{

  MonitorObject myMonitorObject = new MonitorObject();
  boolean wasSignalled = false;

  public void doWait(){
    synchronized(myMonitorObject){
      while(!wasSignalled){
        try{
          myMonitorObject.wait();
         } catch(InterruptedException e){...}
      }
      //clear signal and continue running.
      wasSignalled = false;
    }
  }

  public void doNotify(){
    synchronized(myMonitorObject){
      wasSignalled = true;
      myMonitorObject.notify();
    }
  }
}

　　6.多個線程等待相同信號

while 循環也可以解決當多線程在等待時，只需要喚醒一個線程，並且是使用nitifyAll()來喚醒的情況。

　　7.不要在字符串常量或全局對象中調用wait()

就是導致假喚醒的原因之一，並且可能會導致信號沒有接收到。

管程 (Monitor)是對多個工作線程實現互斥訪問共享資源的對象和模塊。管程實現了在一個時間點，最多只有一個線程在執行他的某個子程序。

6 Java ThreadLocal

java中的ThreadLocal 可以讓變量只被同一個線程進行讀和寫操作。

創建：

private ThreadLocal myThreadLocal = new ThreadLocal()

訪問：

myThreadLocal.set(“local value”);

String threadLocalValue = (String) myThreadLocal.get();

如果不想用強制類型轉換，可以創建一個泛型化的ThreadLocal對象。

private ThreadLocal myThreadLocal1 = new ThreadLocal<String>();

免責聲明！

本站轉載的文章為個人學習借鑒使用，本站對版權不負任何法律責任。如果侵犯了您的隱私權益，請聯系本站郵箱yoyou2525@163.com刪除。

猜您在找 Java 並發性和多線程 Java 並發性和多線程 6、Java並發性和多線程-並發性與並行性 9、Java並發性和多線程-線程安全與共享資源 2、Java並發性和多線程-多線程的優點 Java多線程並發09——如何實現線程間與線程內數據共享 29、Java並發性和多線程-非阻塞算法 [Java基礎]多線程之並發性以及解決方法 java線程間的共享 19、Java並發性和多線程-嵌套管程鎖死

java 並發性和多線程 -- 讀感 (二 線程間通訊，共享內存的機制)

免責聲明！

java 並發性和多線程 -- 讀感 (二線程間通訊，共享內存的機制)