【JUC】共享模型之管程

rexhao_wmh2024-10-26 11:20

共享模型之管程

共享问题

临界区

多个线程访问共享资源，且在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题

临界区：存在对共享资源的多线程读写操作的代码块

竞态条件

多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件

解决方式

  1. 非阻塞式解决方案：原子变量
  2. 阻塞式解决方案：Lock、synchronized

synchronized 初识

synchronized 概述

synchronized 实际是用对象锁保证了临界区内代码的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切换所打断。

synchronized 语法

java 复制代码 
synchronized(对象) {
    临界区
}

方法上的 synchronized

对于成员方法，锁当前对象

java 复制代码 
class Test{
    public synchronized void test() {

    }
}

// 等价于

class Test{
    public void test() {
        synchronized(this) {

        }
    }
}

对于非成员方法，锁 Class 类对象

java 复制代码 
class Test{
    public synchronized static void test() {
    }
}

// 等价于

class Test{
    public static void test() {
        synchronized(Test.class) {

        }
    }
}

线程安全分析

线程安全场景分析

成员变量

多个线程访问一个共享资源会出现线程安全问题。

java 复制代码 
class ThreadUnsafe {
    ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
    public void method1(int loopNumber) {
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            // { 临界区, 会产生竞态条件
            method2();
            method3();
            // } 临界区
        }
    }
    private void method2() {
        // 不是原子操作
        list.add("1");
    }
    private void method3() {
        // 不是原子操作
        list.remove(0);
    }
}
局部变量

每个线程都使用各自的资源，不会出现问题。

java 复制代码 
class ThreadSafe {
    public final void method1(int loopNumber) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }
    private void method2(ArrayList<String> list) {
        list.add("1");
    }
    private void method3(ArrayList<String> list) {
        list.remove(0);
    }
}

常见线程安全类

  • String、Integer
  • StringBuffer
  • Vector、HashTable
  • juc 包的类

对于线程安全类，多个线程调用单个实例的某个方法时，是线程安全的。方法是原子操作，但多个方法组合不是原子的。

String、Integer 等不可变类是线程安全的。

无状态（没有成员变量）的对象也是线程安全的。

String 类为什么设计成 final 修饰的？

避免子类继承后重写方法后，破坏线程安全性。

Monitor

Java 对象头

Java 对象的组成部分
Java对象 对象头 实例数据 对齐填充字节 Mark Word 指向类的指针 数组长度(数组特有)

Mark Word 结构

| 锁状态 | 25bit || 4bit | 1bit | 2bit |

锁状态 23bit 2bit 4bit 是否偏向锁 锁标志位
无锁 对象的HashCode 分代年龄 0 01
偏向锁 线程ID Epoch 分代年龄 1 01
轻量级锁 指向栈中锁记录的指针 00
重量级锁 指向重量级锁的指针 10
GC标记 空 11

Monitor 原理

Monitor 是监视器或管程。

每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的 Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针。

  1. 刚开始 Monitor 中 Owner 为 null
  2. 当 Thread-2 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-2，Monitor中只能有一个 Owner
  3. 在 Thread-2 上锁的过程中，如果 Thread-3，Thread-4，Thread-5 也来执行 synchronized(obj)，就会进入 EntryList，线程进入 BLOCKED 状态
  4. Thread-2 执行完同步代码块的内容，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争是非公平的
  5. 图中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足，进入 WAITING 状态的线程，用于 wait-notify 机制

synchronized 原理

锁升级过程

线程获取 CAS成功 释放锁 CAS失败 升级 线程阻塞 锁释放 获取锁 自旋 获取成功 获取失败 偏向锁 轻量级锁 临界区 锁竞争 重量级锁 等待唤醒 重新尝试 锁自旋

轻量级锁

无竞争线程时使用轻量级锁，有竞争会膨胀为重量级锁。

1、创建锁记录 Object，每个线程都的栈帧都包含一个锁记录，内部可以存储锁定对象的 Mark Word

2、让锁记录中 Object reference 指向锁对象，并尝试使用 CAS 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录

3、如果 CAS 替换成功，对象头中存储了锁记录地址和状态 00 ，表示由该线程给对象加锁

4、如果 CAS 失败，有两种情况

  1. 如果是其它线程已经持有了该对象的轻量级锁。这表明有竞争，进入锁膨胀，升级成重量级锁
  2. 如果是自己执行了 synchronized 锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数

5、当退出 synchronized 代码块时，如果有取值为 null 的锁记录（重入锁），这时重置锁记录，表示重入计数 -1

6、当退出 synchronized 代码块，锁记录的值不为 null，尝试使用 CAS 将 Mark Word 的值恢复给对象 头

  1. 恢复成功，则解锁成功
  2. 恢复失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

锁膨胀

尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功（有其它线程已经为此对象加上了轻量级锁），会进行锁膨胀，变成重量级锁。

1、当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁

2、这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程。

  1. 为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址
  2. 然后自己进入 Monitor 的 EntryList 中，线程进入 BLOCKED 状态

3、当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，恢复失败。这时会进入重量级解锁流程，按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 的线程

自旋优化

锁竞争的时可以使用自旋来进行优化。如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经释放了锁），当前线程就可以避免阻塞。

自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势

线程加入 EntryList 进入 BLOCKED 阻塞状态需要进行上下文切换，消耗较多资源。

偏向锁

偏向状态

问题：轻量级锁在没有竞争时（就当前线程使用），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。

偏向锁：第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有。

处于偏向锁的对象解锁后，线程 id 仍存储于对象头中

  • 如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，markword 值最后 3 位为 101，这时它的 thread、epoch、age 都为 0
  • 偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效，如果想避免延迟，可以加 VM 参数 - XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟
  • 如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，markword 值最后 3 位为 001，这时它的 hashcode、 age 都为 0。正常状态对象一开始是没有 hashCode 的，第一次调用才生成
撤销偏向锁 - hashCode

调用了对象的 hashCode() 方法，但偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id，如果调用 hashCode() 会导致偏向锁被撤销

轻量级锁会在锁记录中记录 hashCode（CAS 交换到锁对象中）

重量级锁会在 Monitor 中记录 hashCode

撤销偏向锁 - 其它线程使用对象

当有其它线程使用偏向锁对象时（不是竞争锁），会将偏向锁升级为轻量级锁

撤销偏向锁 - 调用 wait/notify
java 复制代码 
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Dog d = new Dog();
    
    new Thread(() -> {
        log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
        synchronized (d) {
            log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
            try {
                d.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
        }
    }, "t1").start();
    
    new Thread(() -> {
        try {
            Thread.sleep(6000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        synchronized (d) {
            log.debug("notify");
            d.notify();
        }
    }, "t2").start();
}
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101 
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110011 11111000 00000101 
[t2] - notify 
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011100 11010100 00001101 11001010
批量重偏向 & 批量撤销

当其他线程使用导致撤销偏向锁阈值超过 20 次后，jvm 会在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程

当撤销偏向锁阈值超过 40 次后，整个类的所有对象都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的

锁消除

JVM 会在运行时检测到某些代码段中的锁实际上并不需要被持有，从而消除这些不必要的锁。

wait & notify

wait & notify 概述

  1. obj.wait()：让当前线程进入 object 监视器的线程到 waitSet 等待。会释放对象的锁，从而让其他线程就机会获取对象的锁，无限制等待，直到被 notify() 为止
  2. obj.notify()：在 object 上正在 WaitSet 等待的线程中挑一个唤醒
  3. obj.notifyAll()：让 object 上正在 WaitSet 等待的线程全部唤醒

sleep(long n) 和 wait(long n) 的区别：

  1. sleep 是 Thread 方法，而 wait 是 Object 的方法
  2. sleep 不需要强制和 synchronized 配合使用，但 wait 必须和 synchronized 一起用
  3. sleep 在睡眠时不会释放对象锁的，但 wait 在等待的时会释放对象锁
  4. 它们的状态都是 TIMED_WAITING

wait & notify 最佳实践

java 复制代码 
static boolean ok = false;

// 线程1
synchronized(lock) {
    while(!ok) {
        lock.wait();
    }
    // 干活
}

// 线程2
synchronized(lock) {
    ok = true;
    lock.notifyAll();
}

同步：保护性暂停

保护性暂停：用于在一个线程等待另一个线程的执行结果

如果有结果不断从一个线程到另一个线程那么可以使用消息队列（生产者/消费者模型）

java 复制代码 
class GuardedObject {
    private Object res;

    public synchronized Object get() {
        while (res == null) {
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return res;
    }

    public synchronized Object get(long timeout) {
        long begin = System.currentTimeMillis();
        long passed = 0;
        while (res == null) {
            long wait = timeout - passed;
            if (wait <= 0) {
                break;
            }
            try {
                this.wait(wait);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            passed = System.currentTimeMillis() - begin;
        }
        return res;
    }

    public synchronized void set(Object res) {
        this.res = res;
        this.notifyAll();
    }
}

join() 的原理

join()：调用者轮询检查线程 alive 的状态

java 复制代码 
public final synchronized void join(final long millis)
    throws InterruptedException {
    if (millis > 0) {
        if (isAlive()) {
            final long startTime = System.nanoTime();
            long delay = millis;
            do {
                wait(delay);
            } while (isAlive() && (delay = millis -
                                   TimeUnit.NANOSECONDS.toMillis(System.nanoTime() - startTime)) > 0);
        }
    } else if (millis == 0) {
        while (isAlive()) {
            wait(0);
        }
    } else {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }
}

异步：生产者消费者

  1. 不需要产生和消费的线程一一对应
  2. 消费队列可以用来平衡生产和消费的线程资源
  3. 生产者仅负责产生结果数据，不关心数据该如何处理，而消费者专心处理结果数据
  4. 消息队列是有容量限制的，满时不会再加入数据，空时不会再消耗数据

JDK 中各种阻塞队列，采用的就是这种模式

java 复制代码 
class Message {
    private int id;
    private Object message;

    public Message(int id, Object message) {
        this.id = id;
        this.message = message;
    }

    public int getId() {
        return id;
    }

    public Object getMessage() {
        return message;
    }
}

class MessageQueue {
    private LinkedList<Message> queue;
    private int capacity;

    public MessageQueue(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        queue = new LinkedList<>();
    }

    public Message take() {
        synchronized (queue) {
            while (queue.isEmpty()) {
                try {
                    queue.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            Message message = queue.removeFirst();
            queue.notifyAll();
            return message;
        }
    }

    public void put(Message message) {
        synchronized (queue) {
            while (queue.size() == capacity) {
                try {
                    queue.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            queue.addLast(message);
            queue.notifyAll();
        }
    }
}

park & unpark

park & unpark 概述

LockSupport 类中的方法，先 park 再 unpark。

java 复制代码 
// 暂停当前线程
LockSupport.park(); 

// 恢复某个线程的运行
LockSupport.unpark(暂停线程对象)

特点：

  1. wait，notify 和 notifyAll 必须配合 Object Monitor（synchronized 代码块） 一起使用，而 park，unpark 不需要
  2. park & unpark 可以先 unpark，而 wait & notify 不能先 notify
  3. park & unpark 是以线程为单位来阻塞和唤醒线程，而 notify 只能随机唤醒一个等待线程，notifyAll 是唤醒所有等待线程，没那么精确

park & unpark 原理

park()
  1. 当前线程调用 Unsafe.park() 方法
  2. 检查 _counter ，本情况为 0，获得 _mutex 互斥锁
  3. 线程进入 _cond 条件变量阻塞
  4. 设置 _counter = 0
park() -> unpark()
  1. 调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
  2. 唤醒 _cond 条件变量中的 Thread_0
  3. Thread_0 恢复运行
  4. 设置 _counter 为 0
unpark() -> park()
  1. 调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
  2. 当前线程调用 Unsafe.park() 方法
  3. 检查 _counter ，本情况为 1，这时线程无需阻塞，继续运行
  4. 设置 _counter 为 0

线程状态转换

  1. New -> Runnable：调用 t.start() 方法

  2. Runnable <--> Waiting：

    1. 在 synchronized 获取锁之后，调用 obj.wait() 方法
    2. 调用 obj.notify() 、 obj.notifyAll() 、t.interrupt() 方法

  3. Runnable <--> Waiting：

    1. 调用 t.join() 方法，等待指定线程结束
    2. 线程运行结束，或调用了当前线程的 interrupt() 时

  4. Runnable <--> Waiting：

    1. 调用 LockSupport.park() 方法
    2. 调用 LockSupport.unpark() 方法，或调用了当前线程的 interrupt() 时

  5. Runnable <--> Timed_Waiting：

    1. 在 synchronized 获取锁之后，调用 obj.wait(long n) 方法
    2. 到达指定时间后，或调用 obj.notify() 、 obj.notifyAll() 、t.interrupt() 方法

  6. Runnable <--> Timed_Waiting：

    1. 调用 t.join(long n) 方法
    2. 线程运行结束、到达指定时间后，或调用了当前线程的 interrupt() 时

  7. Runnable <--> Timed_Waiting：

    1. 调用 LockSupport.parkNanos(long nanos) 方法
    2. 到达指定时间后、调用 LockSupport.unpark() 方法，或调用了当前线程的 interrupt() 时

  8. Runnable <--> Timed_Waiting：

    1. 调用 Thread.sleep(long n) 方法
    2. 到达指定时间后

  9. Runnable <--> Blocked：

    1. 等待 synchronized 代码块并竞争锁
    2. 竞争成功，获取到锁

  10. Runnable -> Terminated：线程运行结束

活跃性

死锁

死锁：t1 线程获得A对象锁，接下来想获取B对象的锁；t2 线程获得B对象锁，接下来想获取A对象的锁。

定位死锁：检测死锁可以使用 jconsole工具，或使用 jps 定位进程 id，再用 jstack 定位死锁。

哲学家就餐问题

  • 有五位哲学家，围坐在圆桌旁。
  • 他们只做两件事，思考和吃饭，思考一会吃口饭，吃完饭后接着思考。
  • 吃饭时要用两根筷子吃，桌上共有 5 根筷子，每位哲学家左右手边各有一根筷子。
  • 如果筷子被身边的人拿着，自己就得等待。

活锁

活锁出现在两个线程互相改变对方的结束条件，最后谁也无法结束。

举例：t1 线程 a++，t2 线程 a-- 且两者频率相同。

饥饿

按顺序获取锁时，已获取到多个锁的线程更容易被调度运行。

ReentrantLock

ReentrantLock 概述

  1. 可中断
  2. 可以设置超时时间
  3. 可以设置为公平锁
  4. 支持多个条件变量
  5. 可重入
java 复制代码 
// 获取锁
reentrantLock.lock();
try {
    // 临界区
} finally {
    // 释放锁
    reentrantLock.unlock();
}

可重入

同一个线程如果首次获得了这把锁后，可以再次获取这把锁

java 复制代码 
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public static void main(String[] args) {
    lock.lock();
    try {
        log.debug("main 获取锁");
        func();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

static void func() {
    lock.lock();
    try {
        log.debug("func 获取锁");
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
15:22:43 [main] c.App - main 获取锁
15:22:43 [main] c.App - func 获取锁

可中断

等待锁时可以使用 interrupt() 打断等待。

java 复制代码 
lock.lockInterruptibly();
java 复制代码 
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t = new Thread(() -> {
        log.debug("开始执行");
        try {
            lock.lockInterruptibly();
        } catch (InterruptedException e) {
            log.debug("被打断");
            return;
        }
        try {
            log.debug("获取到锁");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }, "t");

    lock.lock();
    try {
        t.start();
        Thread.sleep(1000);
        t.interrupt();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
15:27:59 [t] c.App - 开始执行
15:28:00 [t] c.App - 被打断

锁超时

java 复制代码 
// 立即失败
lock.tryLock();

// 超时失败
lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS);
java 复制代码 
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("启动...");
        if (!lock.tryLock()) {
            log.debug("获取立刻失败，返回");
            return;
        }
        try {
            log.debug("获得了锁");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }, "t1");
    lock.lock();
    try {
        log.debug("获得了锁");
        t1.start();
        Thread.sleep(2);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
15:42:23 [main] c.App - 获得了锁
15:42:23 [t1] c.App - 启动...
15:42:23 [t1] c.App - 获取立刻失败，返回

公平锁

ReentrantLock 默认是不公平的

java 复制代码 
// 创建公平锁
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

条件变量

synchronized 中也有条件变量，当条件不满足时（调用 wait() 方法）进入 waitSet 等待

ReentrantLock 支持多个条件变量的。

  • await 前需要先获得锁
  • await 执行后，会释放锁，进入 condition 等待
  • await 的线程被唤醒（或打断、或超时）会重新竞争锁
  • 竞争 lock 锁成功后，从 await 后继续执行
java 复制代码 
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
static Condition waitCigaretteQueue = lock.newCondition();
static Condition waitbreakfastQueue = lock.newCondition();
static volatile boolean hasCigrette = false;
static volatile boolean hasBreakfast = false;

public static void main(String[] args) {
    new Thread(() -> {
        try {
            lock.lock();
            while (!hasCigrette) {
                try {
                    waitCigaretteQueue.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            log.debug("等到了它的烟");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }).start();
    new Thread(() -> {
        try {
            lock.lock();
            while (!hasBreakfast) {
                try {
                    waitbreakfastQueue.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            log.debug("等到了它的早餐");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }).start();
    sleep(1);
    sendBreakfast();
    sleep(1);
    sendCigarette();
}

private static void sendCigarette() {
    lock.lock();
    try {
        log.debug("送烟来了");
        hasCigrette = true;
        waitCigaretteQueue.signal();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

private static void sendBreakfast() {
    lock.lock();
    try {
        log.debug("送早餐来了");
        hasBreakfast = true;
        waitbreakfastQueue.signal();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
18:52:27.680 [main] c.TestCondition - 送早餐来了
18:52:27.682 [Thread-1] c.TestCondition - 等到了它的早餐
18:52:28.683 [main] c.TestCondition - 送烟来了
18:52:28.683 [Thread-0] c.TestCondition - 等到了它的烟
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