Java并發(fā)之同步器設(shè)計(jì)的方法是什么

本篇內(nèi)容介紹了“Java并發(fā)之同步器設(shè)計(jì)的方法是什么”的有關(guān)知識(shí)，在實(shí)際案例的操作過(guò)程中，不少人都會(huì)遇到這樣的困境，接下來(lái)就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

在 Java并發(fā)之內(nèi)存模型了解到多進(jìn)程（線程）讀取共享資源的時(shí)候存在競(jìng)爭(zhēng)條件。

計(jì)算機(jī)中通過(guò)設(shè)計(jì)同步器來(lái)協(xié)調(diào)進(jìn)程(線程)之間執(zhí)行順序。同步器作用就像登機(jī)安檢人員一樣可以協(xié)調(diào)旅客按順序通過(guò)。

在Java中，同步器可以理解為一個(gè)對(duì)象，它根據(jù)自身狀態(tài)協(xié)調(diào)線程的執(zhí)行順序。比如鎖（Lock），信號(hào)量（Semaphore），屏障（CyclicBarrier），阻塞隊(duì)列（Blocking Queue）。

這些同步器在功能設(shè)計(jì)上有所不同，但是內(nèi)部實(shí)現(xiàn)上有共通的地方。

同步器

同步器的設(shè)計(jì)一般包含幾個(gè)方面：狀態(tài)變量設(shè)計(jì)（同步器內(nèi)部狀態(tài)），訪問(wèn)條件設(shè)定，狀態(tài)更新，等待方式，通知策略。

訪問(wèn)條件是控制線程是否能執(zhí)行（訪問(wèn)共享對(duì)象）的條件，它往往與狀態(tài)變量緊密相關(guān)。而通知策略是線程釋放鎖定狀態(tài)后通知其它等待線程的方式，一般有以下幾種情況

•  通知所有等待的線程。

•  通知1個(gè)隨機(jī)的N個(gè)等待線程。

•  通知1個(gè)特定的N個(gè)等待線程

看下面例子，通過(guò)鎖方式的同步器

public class Lock{    // 狀態(tài)變量 isLocked    private boolean isLocked = false;    public synchronized void lock() throws InterruptedException{      // 訪問(wèn)條件 當(dāng)isLocked=false 時(shí)獲得訪問(wèn)權(quán)限否則等待      while(isLocked){        // 阻塞等待        wait();      }      //狀態(tài)更新 線程獲得訪問(wèn)權(quán)限      isLocked = true;    }    public synchronized void unlock(){      //狀態(tài)更新 線程釋放訪問(wèn)權(quán)限      isLocked = false;      // 通知策略 object.notify | object.notifyAll      notify();     }  }

我們用計(jì)數(shù)信號(hào)量控制同時(shí)執(zhí)行操作活動(dòng)數(shù)。這里模擬一個(gè)連接池。

public class PoolSemaphore {        // 狀態(tài)變量 actives 計(jì)數(shù)器      private int actives = 0;      private int max;      public PoolSemaphore(int max) {          this.max = max;      }      public synchronized void acquire() throws InterruptedException {          //訪問(wèn)條件 激活數(shù)小于最大限制時(shí)，獲得訪問(wèn)權(quán)限否則等待          while (this.actives == max) wait();          //狀態(tài)更新 線程獲得訪問(wèn)權(quán)限          this.actives++;          // 通知策略 object.notify | object.notifyAll          this.notify();      }      public synchronized void release() throws InterruptedException {          //訪問(wèn)條件 激活數(shù)不為0時(shí)，獲得訪問(wèn)權(quán)限否則等待          while (this.actives == 0) wait();           //狀態(tài)更新 線程獲得訪問(wèn)權(quán)限          this.actives--;          // 通知策略 object.notify | object.notifyAll          this.notify();      }  }

原子指令

同步器設(shè)計(jì)里面，最重要的操作邏輯是“如果滿足條件，以更新?tīng)顟B(tài)變量來(lái)標(biāo)志線程獲得或釋放訪問(wèn)權(quán)限”，該操作應(yīng)具備原子性。

比如test-and-set 計(jì)算機(jī)原子指令，意思是進(jìn)行條件判斷滿足則設(shè)置新值。

function Lock(boolean *lock) {       while (test_and_set(lock) == 1);   }

另外還有很多原子指令 fetch-and-add compare-and-swap，注意這些指令需硬件支持才有效。

同步操作中，利用計(jì)算機(jī)原子指令，可以避開(kāi)鎖，提升效率。java中沒(méi)有 test-and-set 的支持，不過(guò) java.util.concurrent.atomic 給我們提供了很多原子類API，里面支持了 getAndSet 和compareAndSet 操作。

看下面例子，主要在區(qū)別是等待方式不一樣，上面是通過(guò)wait()阻塞等待，下面是無(wú)阻塞循環(huán)。

public class Lock{    // 狀態(tài)變量 isLocked    private AtomicBoolean isLocked = new AtomicBoolean(false);    public void lock() throws InterruptedException{      // 等待方式 變?yōu)樽孕却?nbsp;     while(!isLocked.compareAndSet(false, true));      //狀態(tài)更新 線程獲得訪問(wèn)權(quán)限      isLocked.set(true);    }    public synchronized void unlock(){      //狀態(tài)更新 線程釋放訪問(wèn)權(quán)限      isLocked.set(false);    }  }

關(guān)于阻塞擴(kuò)展說(shuō)明

阻塞意味著需要將進(jìn)程或線程狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)存，以便還原后恢復(fù)執(zhí)行。這種操作是昂貴繁重，而線程基于進(jìn)程之上相對(duì)比較輕量。線程的阻塞在不同編程平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方式也有所不同，像Java是基于JVM運(yùn)行，所以它由JVM完成實(shí)現(xiàn)。

在《Java Concurrency in Practice》中，作者提到

競(jìng)爭(zhēng)性同步可能需要OS活動(dòng)，這增加了成本。當(dāng)爭(zhēng)用鎖時(shí)，未獲取鎖的線程必須阻塞。 JVM可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)等待（反復(fù)嘗試獲取鎖直到成功）來(lái)實(shí)現(xiàn)阻塞，也可以通過(guò)操作系統(tǒng)掛起阻塞的線程來(lái)實(shí)現(xiàn)阻塞。哪種效率更高取決于上下文切換開(kāi)銷(xiāo)與鎖定可用之前的時(shí)間之間的關(guān)系。對(duì)于短暫的等待，最好使用自旋等待；對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的等待，最好使用暫停。一些JVM基于對(duì)過(guò)去等待時(shí)間的分析數(shù)據(jù)來(lái)自適應(yīng)地在這兩者之間進(jìn)行選擇，但是大多數(shù)JVM只是掛起線程等待鎖定。

從上面可以看出JVM實(shí)現(xiàn)阻塞兩種方式

•  旋轉(zhuǎn)等待（spin-waiting），簡(jiǎn)單理解是不暫停執(zhí)行，以循環(huán)的方式等待，適合短時(shí)間場(chǎng)景。

•  通過(guò)操作系統(tǒng)掛起線程。

JVM中通過(guò) -XX: +UseSpinning 開(kāi)啟旋轉(zhuǎn)等待， -XX: PreBlockSpi =10指定最大旋轉(zhuǎn)次數(shù)。

AQS

AQS是AbstractQueuedSynchronizer簡(jiǎn)稱。本節(jié)對(duì)AQS只做簡(jiǎn)單闡述，并不全面。

java.util.concurrent包中的 ReentrantLock，CountDownLatch，Semaphore，CyclicBarrier等都是基于是AQS同步器實(shí)現(xiàn)。

狀態(tài)變量 是用 int state 來(lái)表示，狀態(tài)的獲取與更新通過(guò)以下API操作。   

int getState()      void setState(int newState)      boolean compareAndSetState(int expect, int update)

該狀態(tài)值在不同API中有不同表示意義。比如ReentrantLock中表示持有鎖的線程獲取鎖的次數(shù)，Semaphore表示剩余許可數(shù)。

關(guān)于等待方式和通知策略的設(shè)計(jì)

AQS通過(guò)維護(hù)一個(gè)FIFO同步隊(duì)列（Sync queue）來(lái)進(jìn)行同步管理。當(dāng)多線程爭(zhēng)用共享資源時(shí)被阻塞入隊(duì)。而線程阻塞與喚醒是通過(guò) LockSupport.park/unpark API實(shí)現(xiàn)。

它定義了兩種資源共享方式。

•  Exclusive（獨(dú)占，只有一個(gè)線程能執(zhí)行，如ReentrantLock）

•  Share（共享，多個(gè)線程可同時(shí)執(zhí)行，如Semaphore/CountDownLatch）

每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含waitStatus（節(jié)點(diǎn)狀態(tài)），prev（前繼），next（后繼），thread（入隊(duì)時(shí)線程），nextWaiter（condition隊(duì)列的后繼節(jié)點(diǎn)）

waitStatus 有以下取值。

•  CANCELLED(1) 表示線程已取消。當(dāng)發(fā)生超時(shí)或中斷，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變?yōu)槿∠鬆顟B(tài)不再改變。

•  SIGNAL(-1) 表示后繼節(jié)點(diǎn)等待前繼的喚醒。后繼節(jié)點(diǎn)入隊(duì)時(shí)，會(huì)將前繼狀態(tài)更新為SIGNAL。

•  CONDITION(-2) 表示線程在Condition queue 里面等待。當(dāng)其他線程調(diào)用了Condition.signal()方法后，CONDITION狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)將從 Condition queue 轉(zhuǎn)移到 Sync queue，等待獲取鎖。

•  PROPAGATE(-3) 在共享模式下，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)釋放后，確保有效通知后繼節(jié)點(diǎn)。

•  (0) 節(jié)點(diǎn)加入隊(duì)列時(shí)的默認(rèn)狀態(tài)。

AQS 幾個(gè)關(guān)鍵 API

•  tryAcquire(int) 獨(dú)占方式下，嘗試去獲取資源。成功返回true，否則false。

•  tryRelease(int) 獨(dú)占方式下，嘗試釋放資源，成功返回true，否則false。

•  tryAcquireShared(int) 共享方式下，嘗試獲取資源。返回負(fù)數(shù)為失敗，零和正數(shù)為成功并表示剩余資源。

•  tryReleaseShared(int) 共享方式下，嘗試釋放資源，如果釋放后允許喚醒后續(xù)等待節(jié)點(diǎn)返回true，否則false。

•  isHeldExclusively() 判斷線程是否正在獨(dú)占資源。

acquire(int arg) 

public final void acquire(int arg) {          if (            // 嘗試直接去獲取資源，如果成功則直接返回            !tryAcquire(arg)              &&              //線程阻塞在同步隊(duì)列等待獲取資源。等待過(guò)程中被中斷，則返回true，否則false              acquireQueued(                // 標(biāo)記該線程為獨(dú)占方式，并加入同步隊(duì)列尾部。                addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)              )              selfInterrupt();      }

release(int arg) 

public final boolean release(int arg) {           // 嘗試釋放資源         if (tryRelease(arg)) {             Node h = head;             if (h != null && h.waitStatus != 0)               // 喚醒下一個(gè)線程（后繼節(jié)點(diǎn)）               unparkSuccessor(h);             return true;         }         return false;     }

private void unparkSuccessor(Node node) {          ....                Node s = node.next; // 找到后繼節(jié)點(diǎn)          if (s == null || s.waitStatus > 0) {//無(wú)后繼或節(jié)點(diǎn)已取消              s = null;             // 找到有效的等待節(jié)點(diǎn)               for (Node t = tail; t != null && t != node; tt = t.prev)                  if (t.waitStatus <= 0)                      s = t;          }          if (s != null)              LockSupport.unpark(s.thread); // 喚醒     }

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