高并发Java(2):多线程基础中,我们已经初步提到了基本的线程同步操作。这次要提到的是在并发包中的同步控制工具。

1. 各种同步控制工具的使用

1.1 ReentrantLock

ReentrantLock感觉上是synchronized的增强版,synchronized的特点是使用简单,一切交给JVM去处理,但是功能上是比较薄弱的。在JDK1.5之前,ReentrantLock的性能要好于synchronized,由于对JVM进行了优化,现在的JDK版本中,两者性能是不相上下的。如果是简单的实现,不要刻意去使用ReentrantLock。

相比于synchronized,ReentrantLock在功能上更加丰富,它具有可重入、可中断、可限时、公平锁等特点。

首先我们通过一个例子来说明ReentrantLock最初步的用法:

package test;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Test implements Runnable
{
    public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public static int i = 0;
    @Override
    public void run()
    {
       for (int j = 0; j < 10000000; j++)
       {
         lock.lock();
         try
         {
          i++;
         }
         finally
         {
          lock.unlock();
         }
       }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
       Test test = new Test();
       Thread t1 = new Thread(test);
       Thread t2 = new Thread(test);
       t1.start();
       t2.start();
       t1.join();
       t2.join();
       System.out.println(i);
    }
}

有两个线程都对i进行++操作,为了保证线程安全,使用了 ReentrantLock,从用法上可以看出,与 synchronized相比,ReentrantLock就稍微复杂一点。因为必须在finally中进行解锁操作,如果不在 finally解锁,有可能代码出现异常锁没被释放,而synchronized是由JVM来释放锁。

那么ReentrantLock到底有哪些优秀的特点呢?

1.1.1 可重入

单线程可以重复进入,但要重复退出

lock.lock();
lock.lock();
try
{
    i++;
}      
finally
{
    lock.unlock();
    lock.unlock();
}

由于ReentrantLock是重入锁,所以可以反复得到相同的一把锁,它有一个与锁相关的获取计数器,如果拥有锁的某个线程再次得到锁,那么获取计数器就加1,然后锁需要被释放两次才能获得真正释放(重入锁)。这模仿了 synchronized 的语义;如果线程进入由线程已经拥有的监控器保护的 synchronized 块,就允许线程继续进行,当线程退出第二个(或者后续) synchronized 块的时候,不释放锁,只有线程退出它进入的监控器保护的第一个synchronized 块时,才释放锁。

public class Child extends Father implements Runnable{
    final static Child child = new Child();//为了保证锁唯一
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            new Thread(child).start();
        }
    }
    public synchronized void doSomething() {
        System.out.println("1child.doSomething()");
        doAnotherThing(); // 调用自己类中其他的synchronized方法
    }
    private synchronized void doAnotherThing() {
        super.doSomething(); // 调用父类的synchronized方法
        System.out.println("3child.doAnotherThing()");
    }
    @Override
    public void run() {
        child.doSomething();
    }
}
class Father {
    public synchronized void doSomething() {
        System.out.println("2father.doSomething()");
    }
}

我们可以看到一个线程进入不同的 synchronized方法,是不会释放之前得到的锁的。所以输出还是顺序输出。所以synchronized也是重入锁

输出:

1child.doSomething()
2father.doSomething()
3child.doAnotherThing()
1child.doSomething()
2father.doSomething()
3child.doAnotherThing()
1child.doSomething()
2father.doSomething()
3child.doAnotherThing()
...

1.1.2.可中断

与synchronized不同的是,ReentrantLock对中断是有响应的。中断相关知识查看高并发Java(2):多线程基础

普通的lock.lock()是不能响应中断的,lock.lockInterruptibly()能够响应中断。

我们模拟出一个死锁现场,然后用中断来处理死锁

package test;
import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.lang.management.ThreadInfo;
import java.lang.management.ThreadMXBean;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Test implements Runnable
{
    public static ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
    public static ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();
    int lock;
    public Test(int lock)
    {
       this.lock = lock;
    }
    @Override
    public void run()
    {
       try
       {
         if (lock == 1)
         {
          lock1.lockInterruptibly();
          try
          {
              Thread.sleep(500);
          }
          catch (Exception e)
          {
              // TODO: handle exception
          }
          lock2.lockInterruptibly();
         }
         else
         {
          lock2.lockInterruptibly();
          try
          {
              Thread.sleep(500);
          }
          catch (Exception e)
          {
              // TODO: handle exception
          }
          lock1.lockInterruptibly();
         }
       }
       catch (Exception e)
       {
         // TODO: handle exception
       }
       finally
       {
         if (lock1.isHeldByCurrentThread())
         {
          lock1.unlock();
         }
         if (lock2.isHeldByCurrentThread())
         {
          lock2.unlock();
         }
         System.out.println(Thread.currentThread().getId() + ":线程退出");
       }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
       Test t1 = new Test(1);
       Test t2 = new Test(2);
       Thread thread1 = new Thread(t1);
       Thread thread2 = new Thread(t2);
       thread1.start();
       thread2.start();
       Thread.sleep(1000);
       //DeadlockChecker.check();
    }
    static class DeadlockChecker
    {
       private final static ThreadMXBean mbean = ManagementFactory
          .getThreadMXBean();
       final static Runnable deadlockChecker = new Runnable()
       {
         @Override
         public void run()
         {
          // TODO Auto-generated method stub
          while (true)
          {
              long[] deadlockedThreadIds = mbean.findDeadlockedThreads();
              if (deadlockedThreadIds != null)
              {
                 ThreadInfo[] threadInfos = mbean.getThreadInfo(deadlockedThreadIds);
                 for (Thread t : Thread.getAllStackTraces().keySet())
                 {
                   for (int i = 0; i < threadInfos.length; i++)
                   {
                    if(t.getId() == threadInfos[i].getThreadId())
                    {
                        t.interrupt();
                    }
                   }
                 }
              }
              try
              {
                 Thread.sleep(5000);
              }
              catch (Exception e)
              {
                 // TODO: handle exception
              }
          }
         }
       };
       public static void check()
       {
         Thread t = new Thread(deadlockChecker);
         t.setDaemon(true);
         t.start();
       }
    }
}

上述代码有可能会发生死锁,线程1得到lock1,线程2得到lock2,然后彼此又想获得对方的锁。

我们用jstack查看运行上述代码后的情况

MgakEgfScTfgliDx.gif

的确发现了一个死锁。

DeadlockChecker.check();方法用来检测死锁,然后把死锁的线程中断。中断后,线程正常退出。

1.1.3.可限时

超时不能获得锁,就返回false,不会永久等待构成死锁

使用lock.tryLock(long timeout, TimeUnit unit)来实现可限时锁,参数为时间和单位。

举个例子来说明下可限时:

package test;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Test implements Runnable
{
    public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    @Override
    public void run()
    {
       try
       {
         if (lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS))
         {
          Thread.sleep(6000);
         }
         else
         {
          System.out.println("get lock failed");
         }
       }
       catch (Exception e)
       {
       }
       finally
       {
         if (lock.isHeldByCurrentThread())
         {
          lock.unlock();
         }
       }
    }
    public static void main(String[] args)
    {
       Test t = new Test();
       Thread t1 = new Thread(t);
       Thread t2 = new Thread(t);
       t1.start();
       t2.start();
    }
}

使用两个线程来争夺一把锁,当某个线程获得锁后,sleep6秒,每个线程都只尝试5秒去获得锁。

所以必定有一个线程无法获得锁。无法获得后就直接退出了。

输出:

get lock failed

1.1.4.公平锁

使用方式:

public ReentrantLock(boolean fair) 
public static ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);

一般意义上的锁是不公平的,不一定先来的线程能先得到锁,后来的线程就后得到锁。不公平的锁可能会产生饥饿现象。

公平锁的意思就是,这个锁能保证线程是先来的先得到锁。虽然公平锁不会产生饥饿现象,但是公平锁的性能会比非公平锁差很多。

1.2 Condition

Condition与ReentrantLock的关系就类似于synchronized与Object.wait()/signal()

await()方法会使当前线程等待,同时释放当前锁,当其他线程中使用signal()时或者signalAll()方法时,线 程会重新获得锁并继续执行。或者当线程被中断时,也能跳出等待。这和Object.wait()方法很相似。

awaitUninterruptibly()方法与await()方法基本相同,但是它并不会再等待过程中响应中断。 singal()方法用于唤醒一个在等待中的线程。相对的singalAll()方法会唤醒所有在等待中的线程。这和Obejct.notify()方法很类似。

这里就不再详细介绍了。举个例子来说明:

package test;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Test implements Runnable
{
    public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public static Condition condition = lock.newCondition();
    @Override
    public void run()
    {
       try
       {
         lock.lock();
         condition.await();
         System.out.println("Thread is going on");
       }
       catch (Exception e)
       {
         e.printStackTrace();
       }
       finally
       {
         lock.unlock();
       }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
       Test t = new Test();
       Thread thread = new Thread(t);
       thread.start();
       Thread.sleep(2000);
       lock.lock();
       condition.signal();
       lock.unlock();
    }
}

上述例子很简单,让一个线程await住,让主线程去唤醒它。condition.await()/signal只能在得到锁以后使用。

1.3.Semaphore

对于锁来说,它是互斥的排他的。意思就是,只要我获得了锁,没人能再获得了。

而对于Semaphore来说,它允许多个线程同时进入临界区。可以认为它是一个共享锁,但是共享的额度是有限制的,额度用完了,其他没有拿到额度的线程还是要阻塞在临界区外。当额度为1时,就相等于lock

下面举个例子:

package test;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
public class Test implements Runnable
{
    final Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
    @Override
    public void run()
    {
       try
       {
         semaphore.acquire();
         Thread.sleep(2000);
         System.out.println(Thread.currentThread().getId() + " done");
       }
       catch (Exception e)
       {
         e.printStackTrace();
       }finally {
         semaphore.release();
       }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
       ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(20);
       final Test t = new Test();
       for (int i = 0; i < 20; i++)
       {
         executorService.submit(t);
       }
    }
}

有一个20个线程的线程池,每个线程都去 Semaphore的许可,Semaphore的许可只有5个,运行后可以看到,5个一批,一批一批地输出。

当然一个线程也可以一次申请多个许可

public void acquire(int permits) throws InterruptedException

1.4 ReadWriteLock

ReadWriteLock是区分功能的锁。读和写是两种不同的功能,读-读不互斥,读-写互斥,写-写互斥。

这样的设计是并发量提高了,又保证了数据安全。

使用方式:

private static ReentrantReadWriteLock readWriteLock=new ReentrantReadWriteLock(); 
private static Lock readLock = readWriteLock.readLock(); 
private static Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();

详细例子可以查看 Java实现生产者消费者问题与读者写者问题,这里就不展开了。

1.5 CountDownLatch

倒数计时器
一种典型的场景就是火箭发射。在火箭发射前,为了保证万无一失,往往还要进行各项设备、仪器的检查。 只有等所有检查完毕后,引擎才能点火。这种场景就非常适合使用CountDownLatch。它可以使得点火线程
,等待所有检查线程全部完工后,再执行

使用方式:

static final CountDownLatch end = new CountDownLatch(10);
end.countDown(); 
end.await();

示意图:

VP1MQ7i38mtzRJn2.jpg

一个简单的例子:

package test;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class Test implements Runnable
{
    static final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(10);
    static final Test t = new Test();
    @Override
    public void run()
    {
       try
       {
         Thread.sleep(2000);
         System.out.println("complete");
         countDownLatch.countDown();
       }
       catch (Exception e)
       {
         e.printStackTrace();
       }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
       ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
       for (int i = 0; i < 10; i++)
       {
         executorService.execute(t);
       }
       countDownLatch.await();
       System.out.println("end");
       executorService.shutdown();
    }
}

主线程必须等待10个线程全部执行完才会输出”end”。

1.6 CyclicBarrier

和CountDownLatch相似,也是等待某些线程都做完以后再执行。与CountDownLatch区别在于这个计数器可以反复使用。比如,假设我们将计数器设置为10。那么凑齐第一批1 0个线程后,计数器就会归零,然后接着凑齐下一批10个线程

使用方式:

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) 
barrierAction就是当计数器一次计数完成后,系统会执行的动作
await()

示意图:

epwB0QekWS52UviX.jpg

下面举个例子:

package test;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
public class Test implements Runnable
{
    private String soldier;
    private final CyclicBarrier cyclic;
    public Test(String soldier, CyclicBarrier cyclic)
    {
       this.soldier = soldier;
       this.cyclic = cyclic;
    }
    @Override
    public void run()
    {
       try
       {
         //等待所有士兵到齐
         cyclic.await();
         dowork();
         //等待所有士兵完成工作
         cyclic.await();
       }
       catch (Exception e)
       {
         // TODO Auto-generated catch block
         e.printStackTrace();
       }
    }
    private void dowork()
    {
       // TODO Auto-generated method stub
       try
       {
         Thread.sleep(3000);
       }
       catch (Exception e)
       {
         // TODO: handle exception
       }
       System.out.println(soldier + ": done");
    }
    public static class BarrierRun implements Runnable
    {
       boolean flag;
       int n;
       public BarrierRun(boolean flag, int n)
       {
         super();
         this.flag = flag;
         this.n = n;
       }
       @Override
       public void run()
       {
         if (flag)
         {
          System.out.println(n + "个任务完成");
         }
         else
         {
          System.out.println(n + "个集合完成");
          flag = true;
         }
       }
    }
    public static void main(String[] args)
    {
       final int n = 10;
       Thread[] threads = new Thread[n];
       boolean flag = false;
       CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(n, new BarrierRun(flag, n));
       System.out.println("集合");
       for (int i = 0; i < n; i++)
       {
         System.out.println(i + "报道");
         threads[i] = new Thread(new Test("士兵" + i, barrier));
         threads[i].start();
       }
    }
}

打印结果:

集合
0报道
1报道
2报道
3报道
4报道
5报道
6报道
7报道
8报道
9报道
10个集合完成
士兵5: done
士兵7: done
士兵8: done
士兵3: done
士兵4: done
士兵1: done
士兵6: done
士兵2: done
士兵0: done
士兵9: done
10个任务完成

1.7 LockSupport

提供线程阻塞原语

和suspend类似

LockSupport.park(); 
LockSupport.unpark(t1);

与suspend相比 不容易引起线程冻结

LockSupport的思想呢,和 Semaphore有点相似,内部有一个许可,park的时候拿掉这个许可,unpark的时候申请这个许可。所以如果unpark在park之前,是不会发生线程冻结的。

下面的代码是高并发Java(2):多线程基础中suspend示例代码,在使用suspend时会发生死锁。

package test;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
public class Test
{
    static Object u = new Object();
    static TestSuspendThread t1 = new TestSuspendThread("t1");
    static TestSuspendThread t2 = new TestSuspendThread("t2");
    public static class TestSuspendThread extends Thread
    {
        public TestSuspendThread(String name)
        {
            setName(name);
        }
        @Override
        public void run()
        {
            synchronized (u)
            {
                System.out.println("in " + getName());
                //Thread.currentThread().suspend();
                LockSupport.park();
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException
    {
        t1.start();
        Thread.sleep(100);
        t2.start();
//        t1.resume();
//        t2.resume();
        LockSupport.unpark(t1);
        LockSupport.unpark(t2);
        t1.join();
        t2.join();
    }
}

而使用 LockSupport则不会发生死锁。

另外

park()能够响应中断,但不抛出异常。中断响应的结果是,park()函数的返回,可以从Thread.interrupted()得到中断标志。

在JDK当中有大量地方使用到了park,当然LockSupport的实现也是使用unsafe.park()来实现的。

public static void park() {
        unsafe.park(false, 0L);
    }

1.8 ReentrantLock 的实现

下面来介绍下ReentrantLock的实现,ReentrantLock的实现主要由3部分组成:

  • CAS状态
  • 等待队列
  • park()

ReentrantLock的父类中会有一个state变量来表示同步的状态

/**
     * The synchronization state.
     */
    private volatile int state;

通过CAS操作来设置state来获取锁,如果设置成了1,则将锁的持有者给当前线程

final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }

如果拿锁不成功,则会做一个申请

public final void acquire(int arg) {
        if (!tryAcquire(arg) &&
            acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
            selfInterrupt();
    }

首先,再去申请下试试看tryAcquire,因为此时可能另一个线程已经释放了锁。

如果还是没有申请到锁,就addWaiter,意思是把自己加到等待队列中去

private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {
                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);
        return node;
    }

其间还会有多次尝试去申请锁,如果还是申请不到,就会被挂起

private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
        LockSupport.park(this);
        return Thread.interrupted();
    }

同理,如果在unlock操作中,就是释放了锁,然后unpark,这里就不具体讲了。

2. 并发容器及典型源码分析

2.1 ConcurrentHashMap

我们知道HashMap不是一个线程安全的容器,最简单的方式使HashMap变成线程安全就是使用Collections.synchronizedMap,它是对HashMap的一个包装

public static Map m=Collections.synchronizedMap(new HashMap());

同理对于List,Set也提供了相似方法。

但是这种方式只适合于并发量比较小的情况。

我们来看下synchronizedMap的实现

private final Map<K,V> m;     // Backing Map
        final Object      mutex;        // Object on which to synchronize
        SynchronizedMap(Map<K,V> m) {
            if (m==null)
                throw new NullPointerException();
            this.m = m;
            mutex = this;
        }
        SynchronizedMap(Map<K,V> m, Object mutex) {
            this.m = m;
            this.mutex = mutex;
        }
        public int size() {
            synchronized (mutex) {return m.size();}
        }
        public boolean isEmpty() {
            synchronized (mutex) {return m.isEmpty();}
        }
        public boolean containsKey(Object key) {
            synchronized (mutex) {return m.containsKey(key);}
        }
        public boolean containsValue(Object value) {
            synchronized (mutex) {return m.containsValue(value);}
        }
        public V get(Object key) {
            synchronized (mutex) {return m.get(key);}
        }
        public V put(K key, V value) {
            synchronized (mutex) {return m.put(key, value);}
        }
        public V remove(Object key) {
            synchronized (mutex) {return m.remove(key);}
        }
        public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> map) {
            synchronized (mutex) {m.putAll(map);}
        }
        public void clear() {
            synchronized (mutex) {m.clear();}
        }

它会将HashMap包装在里面,然后将HashMap的每个操作都加上synchronized。

由于每个方法都是获取同一把锁(mutex),这就意味着,put和remove等操作是互斥的,大大减少了并发量。

下面来看下ConcurrentHashMap是如何实现的

public V put(K key, V value) {
        Segment<K,V> s;
        if (value == null)
            throw new NullPointerException();
        int hash = hash(key);
        int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
        if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject          // nonvolatile; recheck
             (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) //  in ensureSegment
            s = ensureSegment(j);
        return s.put(key, hash, value, false);
    }

在 ConcurrentHashMap内部有一个Segment段,它将大的HashMap切分成若干个段(小的HashMap),然后让数据在每一段上Hash,这样多个线程在不同段上的Hash操作一定是线程安全的,所以只需要同步同一个段上的线程就可以了,这样实现了锁的分离,大大增加了并发量。

在使用ConcurrentHashMap.size时会比较麻烦,因为它要统计每个段的数据和,在这个时候,要把每一个段都加上锁,然后再做数据统计。这个就是把锁分离后的小小弊端,但是size方法应该是不会被高频率调用的方法。

在实现上,不使用synchronized和lock.lock而是尽量使用trylock,同时在HashMap的实现上,也做了一点优化。这里就不提了。

2.2 BlockingQueue

BlockingQueue不是一个高性能的容器。但是它是一个非常好的共享数据的容器。是典型的生产者和消费者的实现。

示意图:

JpSN9inkQKuAWHl4.jpg

具体可以查看Java实现生产者消费者问题与读者写者问题

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mortensen

这家伙太懒了,什么都没留下
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