高并发编程必备基础(上)

一、前言

借用Java并发编程实践中的话"编写正确的程序并不容易,而编写正常的并发程序就更难了",相比于顺序执行的情况,多线程的线程安全问题是微妙而且出乎意料的,因为在没有进行适当同步的情况下多线程中各个操作的顺序是不可预期的,本文算是对多线程情况下同步策略的一个一个简单介绍。

二、 什么是线程安全问题

线程安全问题是指当多个线程访问一个状态变量时候,并且一个或者多个线程对状态变量进行写操作时候,并且没有任何同步措施时候,导致脏数据或者其他不可预见的结果的问题。Java中首要的同步策略是使用Synchronized关键字,它提供了可重入的独占锁。

三、 什么是共享变量可见性问题

要谈可见性首先需要介绍下多线程处理共享变量时候的Java中内存模型。

image.png

Java内存模型规定了所有的变量都存放在主内存中,当线程使用变量时候都是把主内存里面的变量拷贝到了自己的工作内存中的。

当线程操作一个共享变量时候操作流程为:

  • 线程首先从主内存拷贝共享变量到自己的工作内存
  • 然后对工作内存里的变量进行处理
  • 处理完后更新变量值到主内存

那么假如线程A和B同时去处理一个共享变量,会出现什么情况那? 首先他们都会去走上面的三个流程,假如线程A拷贝共享变量到了工作内存,并且已经对数据进行了更新但是还没有更新会主内存,这时候线程B拷贝共享变量到了自己的工内存进行处理,处理后,线程A才把自己的处理结果更更新到主内存,可知 线程B处理的并不是线程A处理后的结果,也就是说线程A处理后的变量值对线程B不可见,这就是共享变量的可见性问题。

构成共享变量内存不可见原因是因为三步流程不是原子性操作,下面知道使用恰当同步就可以解决这个问题。

我们知道ArrayList是线程不安全的,因为他的读写方法没有同步策略,会导致脏数据和不可预期的结果,下面我们就一一讲解如何解决。

这是线程不安全的
public class ArrayList<E> 
{

    public E get(int index) {
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }

    public E set(int index, E element) {
        rangeCheck(index);

        E oldValue = elementData(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }
}

四、原子性

4.1 介绍

假设检查A执行操作Ao和现场B执行操作Bo ,那么从A看,当B线程执行Bo操作时候,那么Bo操作全部执行,要么全部不执行,我们称Ao和Bo操作互为原子性操作,在设计计数器时候一般都是先读取当前值,然后+1,然后更新会变量,是读-改-写的过程,这个过程必须是原子性的操作。

    public class ThreadNotSafeCount {

        private  Long value;

        public Long getCount() {
            return value;
        }

        public void inc() {
            ++value;
        }
    }

如上代码是线程不安全的,因为不能保证++value是原子性操作。方法一是使用Synchronized进行同步如下:

    public class ThreadSafeCount {

        private  Long value;

        public synchronized Long getCount() {
            return value;
        }

        public synchronized void inc() {
            ++value;
        }
    }

注意,这里不能简单的使用volatile修饰value进行同步,因为变量值依赖了当前值。

使用Synchronized确实可以实现线程安全,即实现可见性和同步,但是Synchronized是独占锁,没有获取内部锁的线程会被阻塞掉,那么有没有刚好的实现那?答案是肯定的。

4.2 原子变量类

原子变量类比锁更轻巧,比如AtomicLong代表了一个Long值,并提供了get,set方法,get,set方法语音和volatile相同,因为AtomicLong内部就是使用了volatile修饰的真正的Long变量。另外提供了原子性的自增自减操作,所以计数器可以改下为:

    public class ThreadSafeCount {

        private  AtomicLong value = new AtomicLong(0L);

        public  Long getCount() {
            return value.get();
        }

        public void inc() {
            value.incrementAndGet();
        }
    }

那么相比使用synchronized的好处在于原子类操作不会导致线程的挂起和重新调度,因为他内部使用的是cas的非阻塞算法。

常用的原子类变量为:AtomicLong,AtomicInteger,AtomicBoolean,AtomicReference.

五 CAS

CAS 即CompareAndSet,也就是比较并设置,CAS有三个操作数分别为:内存位置,旧的预期值,新的值,操作含义是当内存位置的变量值为旧的预期值时候使用新的值替换旧的值。通俗的说就是看内存位置的变量值谁不是我给的旧的预期值,如果是则使用我给的新的值替换他,如果不是我给的旧值,则返回告诉我当前内存位置的值是多少。这个是处理器提供的一个原子性指令。上面介绍的AtomicLong的自增就是使用这种方式实现:

    public final long incrementAndGet() {
        for (;;) {
            long current = get();(1)
            long next = current + 1;(2)
            if (compareAndSet(current, next))(3)
                return next;
        }
    }

    public final boolean compareAndSet(long expect, long update) {
        return unsafe.compareAndSwapLong(this, valueOffset, expect, update);
    }

假如当前值为1,那么线程A和检查B同时执行到了(3)时候各自的next都是2,current=1,假如线程A先执行了3,那么这个是原子性操作,会把档期值更新为2并且返回1,if判断true所以incrementAndGet返回2.这时候线程B执行3,因为current=1而当前变量实际值为2,所以if判断为false,继续循环,如果没有其他线程去自增变量的话,这次线程B就会更新变量为3然后退出。

这里使用了无限循环使用CAS进行轮询检查,虽然一定程度浪费了cpu资源,但是相比锁来说避免的线程上下文切换和调度。

六、什么是可重入锁

当一个线程要获取一个被其他线程占用的锁时候,该线程会被阻塞,那么当一个线程再次获取它自己已经获取的锁时候是否会被阻塞那?如果不需要阻塞那么我们说该锁是可重入锁,也就是锁只要该线程获取了该锁,那么可以无限制次数进入被该锁锁住的代码。

先看一个例子如果锁不是可重入的,看看会出现什么问题。

public class Hello{
     public Synchronized void helloA(){
        System.out.println("hello");
     }

     public Synchronized void helloB(){
        System.out.println("hello B");
        helloA();
     }

}

如上面代码当调用helloB函数前会先获取内置锁,然后打印输出,然后调用helloA方法,调用前会先去获取内置锁,如果内置锁不是可重入的那么该调用就会导致死锁了,因为线程持有并等待了锁导致helloB永远不会获取内置锁。

实际上内部锁是可重入锁,例如synchronized关键字管理的方法,可重入锁的原理是在所内部维护了一个线程标示标示该锁目前被那个线程占用,然后关联一个计数器,一开始计数器值为0,说明该锁没有被任何线程占用,当一个线程获取了该锁,计数器会变成1,其他线程在获取该锁时候发现锁的所有者不是自己所以被阻塞,但是当获取该锁的线程再次获取锁时候发现锁拥有者是自己会把计数器值+1, 当释放锁后计数器会-1,当计数器为0时候,锁里面的线程标示重置为null,这时候阻塞的线程会获取被唤醒来获取该锁。

七、Synchronized关键字

7.1 Synchronized介绍

synchronized块是Java提供的一种强制性内置锁,每个Java对象都可以隐式的充当一个用于同步的锁的功能,这些内置的锁被称为内部锁或者叫监视器锁,执行代码在进入synchronized代码块前会自动获取内部锁,这时候其他线程访问该同步代码块时候会阻塞掉。拿到内部锁的线程会在正常退出同步代码块或者异常抛出后释放内部锁,这时候阻塞掉的线程才能获取内部锁进入同步代码块。

7.2 Synchronized同步实例

内部锁是一种互斥锁,具体说是同时已有一个线程可以拿到该锁,当一个线程拿到该锁并且没有释放的情况下,其他线程只能等待。

对于上面说的ArrayList可以使用synchronized进行同步来处理可见性问题。

使用synchronized对方法进行同步
public class ArrayList<E>
{

    public synchronized  E get(int index) {
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }

    public synchronized E set(int index, E element) {
        rangeCheck(index);

        E oldValue = elementData(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }
}

image.png

如图当线程A获取内部锁进入同步代码块后,线程B也准备要进入同步块,但是由于A还没释放锁,所以B现在进入等待,使用同步可以保证线程A获取锁到释放锁期间的变量值对B获取锁后都可见。也就是说当B开始执行A执行的代码同步块时候可以看到A操作的所有变量值,这里具体说是当线程B获取b的值时候能够保证获取的值是2。这时因为线程A进入同步块修改变量值后,会在退出同步块前把值刷新到主内存,而线程B在进入同步块前会首先清空本地内存内容,从主内存重新获取变量值,所以实现了可见性。但是要注意一点所有线程使用的是同一个锁。

注意 Synchronized关键字会引起现场上下文切换和线程调度

八、 ReentrantReadWriteLock

使用synchronized可以实现同步,但是缺点是同时只有一个线程可以访问共享变量,但是正常情况下,对于多个读操作操作共享变量时候是不需要同步的,synchronized时候无法实现多个读线程同时执行,而大部分情况下读操作次数多于写操作,所以这大大降低了并发性,所以出现了ReentrantReadWriteLock,它可以实现读写分离,运行多个线程同时进行读取,但是最多运行一个写现线程存在。

对于上面的方法现在可以修改为:

public class ArrayList<E>
{
  private final ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();

  public E get(int index) {

        Lock readLock = readWriteLock.readLock();
        readLock.lock();
        try {
            return list.get(index);
        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }

    public E set(int index, E element) {

        Lock wirteLock = readWriteLock.writeLock();
        wirteLock.lock();
        try {
            return list.set(index, element);
        } finally {
            wirteLock.unlock();
        }
    }
}

如代码在get方法时候通过 readWriteLock.readLock()获取了读锁,多个线程可以同时获取这读锁,set方法通过readWriteLock.writeLock()获取了写锁,同时只有一个线程可以获取写锁,其他线程在获取写锁时候会阻塞直到写锁被释放。假如一个线程已经获取了读锁,这时候如果一个线程要获取写锁时候要等待直到释放了读锁,如果一个线程获取了写锁,那么所有获取读锁的线程需要等待直到写锁被释放。所以相比synchronized来说运行多个读者同时存在,所以提高了并发量。 注意 需要使用者显示调用Lock与unlock操作

九、 Volatile变量

对于避免不可见性问题,Java还提供了一种弱形式的同步,即使用了volatile关键字。该关键字确保了对一个变量的更新对其他线程可见。当一个变量被声明为volatile时候,线程写入时候不会把值缓存在寄存器或者或者在其他地方,当线程读取的时候会从主内存重新获取最新值,而不是使用当前线程的拷贝内存变量值。

volatile虽然提供了可见性保证,但是不能使用他来构建复合的原子性操作,也就是说当一个变量依赖其他变量或者更新变量值时候新值依赖当前老值时候不在适用。与synchronized相似之处在于如图

image.png

如图线程A修改了volatile变量b的值,然后线程B读取了改变量值,那么所有A线程在写入变量b值前可见的变量值,在B读取volatile变量b后对线程B都是可见的,途中线程B对A操作的变量a,b的值都可见的。volatile的内存语义和synchronized有类似之处,据说是说当线程写入了volatile变量值就等价于线程退出synchronized同步块(会把写入到本地内存的变量值同步到主内存),读取volatile变量值就相当于进入同步块(会先清空本地内存变量值,从主内存获取最新值)。

下面的Integer也是线程不安全的,因为没有进行同步措施

    public class ThreadNotSafeInteger {

        private int value;

        public int get() {
            return value;
        }

        public void set(int value) {
            this.value = value;
        }
    }

使用synchronized关键字进行同步如下:

    public class ThreadSafeInteger {

        private int value;

        public synchronized int get() {
            return value;
        }

        public synchronized  void set(int value) {
            this.value = value;
        }
    }

等价于使用volatile进行同步如下:

    public class ThreadSafeInteger {

        private volatile int value;

        public int get() {
            return value;
        }

        public void set(int value) {
            this.value = value;
        }
    }

这里使用synchronized和使用volatile是等价的,但是并不是所有情况下都是等价,一般只有满足下面所有条件才能使用volatile

  • 写入变量值时候不依赖变量的当前值,或者能够保证只有一个线程修改变量值。
  • 写入的变量值不依赖其他变量的参与。
  • 读取变量值时候不能因为其他原因进行枷锁。

另外 加锁可以同时保证可见性和原子性,而volatile只保证变量值的可见性。

注意 volatile关键字不会引起线程上下文切换和线程调度

十、 乐观锁与悲观锁

10.1 悲观锁

悲观锁,指数据被外界修改持保守态度(悲观),在整个数据处理过程中,将数据处于锁定状态。 悲观锁的实现,往往依靠数据库提供的锁机制 。数据库中实现是对数据记录进行操作前,先给记录加排它锁,如果获取锁失败,则说明数据正在被其他线程修改,则等待或者抛出异常。如果加锁成功,则获取记录,对其修改,然后事务提交后释放排它锁。 一个例子:select * from 表 where .. for update;

悲观锁是先加锁再访问策略,处理加锁会让数据库产生额外的开销,还有增加产生死锁的机会,另外在多个线程只读情况下不会产生数据不一致行问题,没必要使用锁,只会增加系统负载,降低并发性,因为当一个事务锁定了该条记录,其他读该记录的事务只能等待。

10.2 乐观锁

乐观锁是相对悲观锁来说的,它认为数据一般情况下不会造成冲突,所以在访问记录前不会加排他锁,而是在数据进行提交更新的时候,才会正式对数据的冲突与否进行检测,具体说根据update返回的行数让用户决定如何去做。乐观锁并不会使用数据库提供的锁机制,一般在表添加version字段或者使用业务状态来做。 具体可以参考:https://www.atatech.org/articles/79240

乐观锁直到提交的时候才去锁定,所以不会产生任何锁和死锁。

十一、独占锁与共享锁

根据锁能够被单个线程还是多个线程共同持有,锁又分为独占锁和共享锁。独占锁保证任何时候都只有一个线程能读写权限,ReentrantLock就是以独占方式实现的互斥锁。共享锁则可以同时有多个读线程,但最多只能有一个写线程,读和写是互斥的,例如ReadWriteLock读写锁,它允许一个资源可以被多线程同时进行读操作,或者被一个线程 写操作,但两者不能同时进行。

独占锁是一种悲观锁,每次访问资源都先加上互斥锁,这限制了并发性,因为读操作并不会影响数据一致性,而独占锁只允许同时一个线程读取数据,其他线程必须等待当前线程释放锁才能进行读取。

共享锁则是一种乐观锁,它放宽了加锁的条件,允许多个线程同时进行读操作。

十二、公平锁与非公平锁

根据线程获取锁的抢占机制锁可以分为公平锁和非公平锁,公平锁表示线程获取锁的顺序是按照线程加锁的时间多少来分决定的的,也就是最早枷锁的线程将最早获取锁,也就是先来先得的FIFO顺序。而非公平锁则运行闯入,也就是先来不一定先得。

ReentrantLock提供了公平和非公平锁的实现: 公平锁ReentrantLock pairLock = new ReentrantLock(true); 非公平锁 ReentrantLock pairLock = new ReentrantLock(false); 如果构造函数不传递参数,则默认是非公平锁。

在没有公平性需求的前提下尽量使用非公平锁,因为公平锁会带来性能开销。 假设线程A已经持有了锁,这时候线程B请求该锁将会被挂起,当线程A释放锁后,假如当前有线程C也需要获取该锁,如果采用非公平锁方式,则根据线程调度策略线程B和C两者之一可能获取锁,这时候不需要任何其他干涉,如果使用公平锁则需要把C挂起,让B获取当前锁。

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