在一般性開發(fā)中，筆者經(jīng)?？吹胶芏嗤瑢W(xué)在對(duì)待java并發(fā)開發(fā)模型中只會(huì)使用一些基礎(chǔ)的方法。比如Volatile，synchronized。像Lock和atomic這類高級(jí)并發(fā)包很多人并不經(jīng)常使用。我想大部分原因都是來(lái)之于對(duì)原理的不屬性導(dǎo)致的。在繁忙的開發(fā)工作中，又有誰(shuí)會(huì)很準(zhǔn)確的把握和使用正確的并發(fā)模型呢？
所以最近基于這個(gè)思想，本人打算把并發(fā)控制機(jī)制這部分整理成一篇文章。既是對(duì)自己掌握知識(shí)的一個(gè)回憶，也是希望這篇講到的類容能幫助到大部分開發(fā)者。
并行程序開發(fā)不可避免地要涉及多線程、多任務(wù)的協(xié)作和數(shù)據(jù)共享等問(wèn)題。在JDK中，提供了多種途徑實(shí)現(xiàn)多線程間的并發(fā)控制。比如常用的：內(nèi)部鎖、重入鎖、讀寫鎖和信號(hào)量。
Java內(nèi)存模型
在java中，每一個(gè)線程有一塊工作內(nèi)存區(qū)，其中存放著被所有線程共享的主內(nèi)存中的變量的值的拷貝。當(dāng)線程執(zhí)行時(shí)，它在自己的工作內(nèi)存中操作這些變量。
為了存取一個(gè)共享的變量，一個(gè)線程通常先獲取鎖定并且清除它的工作內(nèi)存區(qū)，這保證該共享變量從所有線程的共享內(nèi)存區(qū)正確地裝入到線程的工作內(nèi)存區(qū)，當(dāng)線程解鎖時(shí)保證該工作內(nèi)存區(qū)中變量的值協(xié)會(huì)到共享內(nèi)存中。
當(dāng)一個(gè)線程使用某一個(gè)變量時(shí)，不論程序是否正確地使用線程同步操作，它獲取的值一定是由它本身或者其他線程存儲(chǔ)到變量中的值。例如，如果兩個(gè)線程把不同的值或者對(duì)象引用存儲(chǔ)到同一個(gè)共享變量中，那么該變量的值要么是這個(gè)線程的，要么是那個(gè)線程的，共享變量的值不會(huì)是由兩個(gè)線程的引用值組合而成。
一個(gè)變量時(shí)Java程序可以存取的一個(gè)地址，它不僅包括基本類型變量、引用類型變量，而且還包括數(shù)組類型變量。保存在主內(nèi)存區(qū)的變量可以被所有線程共享，但是一個(gè)線程存取另一個(gè)線程的參數(shù)或者局部變量時(shí)不可能的，所以開發(fā)人員不必?fù)?dān)心局部變量的線程安全問(wèn)題。
volatile變量–多線程間可見
由于每個(gè)線程都有自己的工作內(nèi)存區(qū)，因此當(dāng)一個(gè)線程改變自己的工作內(nèi)存中的數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)其他線程來(lái)說(shuō)，可能是不可見的。為此，可以使用volatile關(guān)鍵字破事所有線程軍讀寫內(nèi)存中的變量，從而使得volatile變量在多線程間可見。
聲明為volatile的變量可以做到如下保證：
1、其他線程對(duì)變量的修改，可以及時(shí)反應(yīng)在當(dāng)前線程中；
2、確保當(dāng)前線程對(duì)volatile變量的修改，能及時(shí)寫回到共享內(nèi)存中，并被其他線程所見；
3、使用volatile聲明的變量，編譯器會(huì)保證其有序性。
同步關(guān)鍵字synchronized
同步關(guān)鍵字synchronized是Java語(yǔ)言中最為常用的同步方法之一。在JDK早期版本中，synchronized的性能并不是太好，值適合于鎖競(jìng)爭(zhēng)不是特別激烈的場(chǎng)合。在JDK6中，synchronized和非公平鎖的差距已經(jīng)縮小。更為重要的是，synchronized更為簡(jiǎn)潔明了，代碼可讀性和維護(hù)性比較好。
鎖定一個(gè)對(duì)象的方法：
public synchronized void method(){}
當(dāng)method()方法被調(diào)用時(shí)，調(diào)用線程首先必須獲得當(dāng)前對(duì)象所，若當(dāng)前對(duì)象鎖被其他線程持有，這調(diào)用線程會(huì)等待，犯法結(jié)束后，對(duì)象鎖會(huì)被釋放，以上方法等價(jià)于下面的寫法：
publicvoidmethod(){
synchronized(this){
// do something …
}
}
其次，使用synchronized還可以構(gòu)造同步塊，與同步方法相比，同步塊可以更為精確控制同步代碼范圍。一個(gè)小的同步代碼非常有離與鎖的快進(jìn)快出，從而使系統(tǒng)擁有更高的吞吐量。
publicvoidmethod(Object o){
// before
synchronized(o){
// do something ...
}
// after
}
synchronized也可以用于static函數(shù)：
public synchronized static void method(){}
這個(gè)地方一定要注意，synchronized的鎖是加在當(dāng)前Class對(duì)象上，因此，所有對(duì)該方法的調(diào)用，都必須獲得Class對(duì)象的鎖。
雖然synchronized可以保證對(duì)象或者代碼段的線程安全，但是僅使用synchronized還是不足以控制擁有復(fù)雜邏輯的線程交互。為了實(shí)現(xiàn)多線程間的交互，還需要使用Object對(duì)象的wait()和notify()方法。
典型用法：
synchronized(obj){
while(){
obj.wait();
// 收到通知后，繼續(xù)執(zhí)行。
}
}
在使用wait()方法前，需要獲得對(duì)象鎖。在wait()方法執(zhí)行時(shí)，當(dāng)前線程或釋放obj的獨(dú)占鎖，供其他線程使用。
當(dāng)?shù)却趏bj上線程收到obj.notify()時(shí)，它就能重新獲得obj的獨(dú)占鎖，并繼續(xù)運(yùn)行。注意了，notify()方法是隨機(jī)喚起等待在當(dāng)前對(duì)象的某一個(gè)線程。
下面是一個(gè)阻塞隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)：
publicclassBlockQueue{
privateList list =newArrayList();
publicsynchronizedObject pop()throwsInterruptedException{
while(list.size()==0){
this.wait();
}
if(list.size()>0){
returnlist.remove(0);
}else{
returnnull;
}
}
publicsynchronizedObject put(Object obj){
list.add(obj);
this.notify();
}
}
synchronized配合wait()、notify()應(yīng)該是Java開發(fā)者必須掌握的基本技能。
Reentrantlock重入鎖
Reentrantlock稱為重入鎖。它比synchronized擁有更加強(qiáng)大的功能，它可以中斷、可定時(shí)。在高并發(fā)的情況下，它比synchronized有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。
Reentrantlock提供了公平和非公平兩種鎖。公平鎖是對(duì)鎖的獲取是先進(jìn)先出，而非公平鎖是可以插隊(duì)的。當(dāng)然從性能上分析，非公平鎖的性能要好得多。因此，在無(wú)特殊需要，應(yīng)該優(yōu)選非公平鎖，但是synchronized提供鎖業(yè)不是絕對(duì)公平的。Reentrantlock在構(gòu)造的時(shí)候可以指定鎖是否公平。
在使用重入鎖時(shí)，一定要在程序最后釋放鎖。一般釋放鎖的代碼要寫在finally里。否則，如果程序出現(xiàn)異常，Loack就永遠(yuǎn)無(wú)法釋放了。synchronized的鎖是JVM最后自動(dòng)釋放的。
經(jīng)典使用方式如下：
try{
if(lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS)) {//如果已經(jīng)被lock，嘗試等待5s，看是否可以獲得鎖，如果5s后仍然無(wú)法獲得鎖則返回false繼續(xù)執(zhí)行
// lock.lockInterruptibly();可以響應(yīng)中斷事件
try{
//操作
}finally{
lock.unlock();
}
}
}catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();//當(dāng)前線程被中斷時(shí)(interrupt)，會(huì)拋InterruptedException
}
Reentrantlock提供了非常豐富的鎖控制功能，靈活應(yīng)用這些控制方法，可以提高應(yīng)用程序的性能。不過(guò)這里并非是極力推薦使用Reentrantlock。重入鎖算是JDK中提供的高級(jí)開發(fā)工具。
ReadWriteLock讀寫鎖
讀寫分離是一種非常常見的數(shù)據(jù)處理思想。在sql中應(yīng)該算是必須用到的技術(shù)。ReadWriteLock是在JDK5中提供的讀寫分離鎖。讀寫分離鎖可以有效地幫助減少鎖競(jìng)爭(zhēng)，以提升系統(tǒng)性能。讀寫分離使用場(chǎng)景主要是如果在系統(tǒng)中，讀操作次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寫操作。使用方式如下：
privateReentrantReadWriteLock readWriteLock =newReentrantReadWriteLock();
privateLock readLock = readWriteLock.readLock();
privateLock writeLock = readWriteLock.writeLock();
publicObject handleRead()throwsInterruptedException {
try{
readLock.lock();
Thread.sleep(1000);
returnvalue;
}finally{
readLock.unlock();
}
}
publicObject handleRead()throwsInterruptedException {
try{
writeLock.lock();
Thread.sleep(1000);
returnvalue;
}finally{
writeLock.unlock();
}
}
Condition對(duì)象
Conditiond對(duì)象用于協(xié)調(diào)多線程間的復(fù)雜協(xié)作。主要與鎖相關(guān)聯(lián)。通過(guò)Lock接口中的newCondition()方法可以生成一個(gè)與Lock綁定的Condition實(shí)例。Condition對(duì)象和鎖的關(guān)系就如用Object.wait()、Object.notify()兩個(gè)函數(shù)以及synchronized關(guān)鍵字一樣。
這里可以把ArrayBlockingQueue的源碼摘出來(lái)看一下：
publicclassArrayBlockingQueueextendsAbstractQueue
implementsBlockingQueue, java.io.Serializable {
/** Main lock guarding all access */
finalReentrantLock lock;
/** Condition for waiting takes */
privatefinalCondition notEmpty;
/** Condition for waiting puts */
privatefinalCondition notFull;
publicArrayBlockingQueue(intcapacity,booleanfair) {
if(capacity <=0)
thrownewIllegalArgumentException();
this.items =newObject[capacity];
lock =newReentrantLock(fair);
notEmpty = lock.newCondition();// 生成與Lock綁定的Condition
notFull = lock.newCondition();
}
publicvoidput(E e)throwsInterruptedException {
checkNotNull(e);
finalReentrantLock lock =this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try{
while(count == items.length)
notFull.await();
insert(e);
}finally{
lock.unlock();
}
}
privatevoidinsert(E x) {
items[putIndex] = x;
putIndex = inc(putIndex);
++count;
notEmpty.signal();// 通知
}
publicE take()throwsInterruptedException {
finalReentrantLock lock =this.lock;
lock.lockInterruptibly();
try{
while(count ==0)// 如果隊(duì)列為空
notEmpty.await();// 則消費(fèi)者隊(duì)列要等待一個(gè)非空的信號(hào)
returnextract();
}finally{
lock.unlock();
}
}
privateE extract() {
finalObject[] items =this.items;
E x =this.cast(items[takeIndex]);
items[takeIndex] =null;
takeIndex = inc(takeIndex);
--count;
notFull.signal();// 通知put() 線程隊(duì)列已有空閑空間
returnx;
}
// other code
}
Semaphore信號(hào)量
信號(hào)量為多線程協(xié)作提供了更為強(qiáng)大的控制方法。信號(hào)量是對(duì)鎖的擴(kuò)展。無(wú)論是內(nèi)部鎖synchronized還是重入鎖ReentrantLock，一次都允許一個(gè)線程訪問(wèn)一個(gè)資源，而信號(hào)量卻可以指定多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)某一個(gè)資源。從構(gòu)造函數(shù)可以看出：
public Semaphore(int permits) {}
public Semaphore(int permits, boolean fair){} // 可以指定是否公平
permits指定了信號(hào)量的準(zhǔn)入書，也就是同時(shí)能申請(qǐng)多少個(gè)許可。當(dāng)每個(gè)線程每次只申請(qǐng)一個(gè)許可時(shí)，這就相當(dāng)于指定了同時(shí)有多少個(gè)線程可以訪問(wèn)某一個(gè)資源。這里羅列一下主要方法的使用：
public void acquire() throws InterruptedException {} //嘗試獲得一個(gè)準(zhǔn)入的許可。若無(wú)法獲得，則線程會(huì)等待，知道有線程釋放一個(gè)許可或者當(dāng)前線程被中斷。
public void acquireUninterruptibly(){} // 類似于acquire()，但是不會(huì)響應(yīng)中斷。
public boolean tryAcquire(){} // 嘗試獲取，如果成功則為true，否則false。這個(gè)方法不會(huì)等待，立即返回。
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {} // 嘗試等待多長(zhǎng)時(shí)間
public void release() //用于在現(xiàn)場(chǎng)訪問(wèn)資源結(jié)束后，釋放一個(gè)許可，以使其他等待許可的線程可以進(jìn)行資源訪問(wèn)。
下面來(lái)看一下JDK文檔中提供使用信號(hào)量的實(shí)例。這個(gè)實(shí)例很好的解釋了如何通過(guò)信號(hào)量控制資源訪問(wèn)。
publicclassPool {
privatestaticfinalintMAX_AVAILABLE =100;
privatefinalSemaphore available =newSemaphore(MAX_AVAILABLE,true);
publicObject getItem()throwsInterruptedException {
available.acquire();
// 申請(qǐng)一個(gè)許可
// 同時(shí)只能有100個(gè)線程進(jìn)入取得可用項(xiàng)，
// 超過(guò)100個(gè)則需要等待
returngetNextAvailableItem();
}
publicvoidputItem(Object x) {
// 將給定項(xiàng)放回池內(nèi)，標(biāo)記為未被使用
if(markAsUnused(x)) {
available.release();
// 新增了一個(gè)可用項(xiàng)，釋放一個(gè)許可，請(qǐng)求資源的線程被激活一個(gè)
}
}
// 僅作示例參考，非真實(shí)數(shù)據(jù)
protectedObject[] items =newObject[MAX_AVAILABLE];// 用于對(duì)象池復(fù)用對(duì)象
protectedboolean[] used =newboolean[MAX_AVAILABLE];// 標(biāo)記作用
protectedsynchronizedObject getNextAvailableItem() {
for(inti =0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
if(!used[i]) {
used[i] =true;
returnitems[i];
}
}
returnnull;
}
protectedsynchronizedbooleanmarkAsUnused(Object item) {
for(inti =0; i < MAX_AVAILABLE; ++i) {
if(item == items[i]) {
if(used[i]) {
used[i] =false;
returntrue;
}else{
returnfalse;
}
}
}
returnfalse;
}
}
此實(shí)例簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)了一個(gè)對(duì)象池，對(duì)象池最大容量為100。因此，當(dāng)同時(shí)有100個(gè)對(duì)象請(qǐng)求時(shí)，對(duì)象池就會(huì)出現(xiàn)資源短缺，未能獲得資源的線程就需要等待。當(dāng)某個(gè)線程使用對(duì)象完畢后，就需要將對(duì)象返回給對(duì)象池。此時(shí)，由于可用資源增加，因此，可以激活一個(gè)等待該資源的線程。
ThreadLocal線程局部變量
在剛開始接觸ThreadLocal，筆者很難理解這個(gè)線程局部變量的使用場(chǎng)景。當(dāng)現(xiàn)在回過(guò)頭去看，ThreadLocal是一種多線程間并發(fā)訪問(wèn)變量的解決方案。與synchronized等加鎖的方式不同，ThreadLocal完全不提供鎖，而使用了以空間換時(shí)間的手段，為每個(gè)線程提供變量的獨(dú)立副本，以保障線程安全，因此它不是一種數(shù)據(jù)共享的解決方案。
ThreadLocal是解決線程安全問(wèn)題一個(gè)很好的思路，ThreadLocal類中有一個(gè)Map，用于存儲(chǔ)每一個(gè)線程的變量副本，Map中元素的鍵為線程對(duì)象，而值對(duì)應(yīng)線程的變量副本，由于Key值不可重復(fù)，每一個(gè)“線程對(duì)象”對(duì)應(yīng)線程的“變量副本”，而到達(dá)了線程安全。
特別值得注意的地方，從性能上說(shuō)，ThreadLocal并不具有絕對(duì)的又是，在并發(fā)量不是很高時(shí)，也行加鎖的性能會(huì)更好。但作為一套與鎖完全無(wú)關(guān)的線程安全解決方案，在高并發(fā)量或者所競(jìng)爭(zhēng)激烈的場(chǎng)合，使用ThreadLocal可以在一定程度上減少鎖競(jìng)爭(zhēng)。
下面是一個(gè)ThreadLocal的簡(jiǎn)單使用：
publicclassTestNum {
// 通過(guò)匿名內(nèi)部類覆蓋ThreadLocal的initialValue()方法，指定初始值
privatestaticThreadLocal seqNum =newThreadLocal() {
publicInteger initialValue() {
return0;
}
};
// 獲取下一個(gè)序列值
publicintgetNextNum() {
seqNum.set(seqNum.get() +1);
returnseqNum.get();
}publicstaticvoidmain(String[] args) {
TestNum sn =newTestNum();
//3個(gè)線程共享sn，各自產(chǎn)生序列號(hào)
TestClient t1 =newTestClient(sn);
TestClient t2 =newTestClient(sn);
TestClient t3 =newTestClient(sn);
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
privatestaticclassTestClientextendsThread {
privateTestNum sn;
publicTestClient(TestNum sn) {
this.sn = sn;
}
publicvoidrun() {
for(inti =0; i <3; i++) {
// 每個(gè)線程打出3個(gè)序列值
System.out.println("thread["+ Thread.currentThread().getName() +"] --> sn["
+ sn.getNextNum() +"]");
}
}
}
}
輸出結(jié)果：
thread[Thread-0] –> sn[1]
thread[Thread-1] –> sn[1]
thread[Thread-2] –> sn[1]
thread[Thread-1] –> sn[2]
thread[Thread-0] –> sn[2]
thread[Thread-1] –> sn[3]
thread[Thread-2] –> sn[2]
thread[Thread-0] –> sn[3]
thread[Thread-2] –> sn[3]
輸出的結(jié)果信息可以發(fā)現(xiàn)每個(gè)線程所產(chǎn)生的序號(hào)雖然都共享同一個(gè)TestNum實(shí)例，但它們并沒有發(fā)生相互干擾的情況，而是各自產(chǎn)生獨(dú)立的序列號(hào)，這是因?yàn)門hreadLocal為每一個(gè)線程提供了單獨(dú)的副本。
鎖的性能和優(yōu)化
“鎖”是最常用的同步方法之一。在平常開發(fā)中，經(jīng)常能看到很多同學(xué)直接把鎖加很大一段代碼上。還有的同學(xué)只會(huì)用一種鎖方式解決所有共享問(wèn)題。顯然這樣的編碼是讓人無(wú)法接受的。特別的在高并發(fā)的環(huán)境下，激烈的鎖競(jìng)爭(zhēng)會(huì)導(dǎo)致程序的性能下降德更加明顯。因此合理使用鎖對(duì)程序的性能直接相關(guān)。
1、線程的開銷
在多核情況下，使用多線程可以明顯提高系統(tǒng)的性能。但是在實(shí)際情況中，使用多線程的方式會(huì)額外增加系統(tǒng)的開銷。相對(duì)于單核系統(tǒng)任務(wù)本身的資源消耗外，多線程應(yīng)用還需要維護(hù)額外多線程特有的信息。比如，線程本身的元數(shù)據(jù)，線程調(diào)度，線程上下文的切換等。
2、減小鎖持有時(shí)間在使用鎖進(jìn)行并發(fā)控制的程序中，當(dāng)鎖發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，單個(gè)線程對(duì)鎖的持有時(shí)間與系統(tǒng)性能有著直接的關(guān)系。如果線程持有鎖的時(shí)間很長(zhǎng)，那么相對(duì)地，鎖的競(jìng)爭(zhēng)程度也就越激烈。因此，在程序開發(fā)過(guò)程中，應(yīng)該盡可能地減少對(duì)某個(gè)鎖的占有時(shí)間，以減少線程間互斥的可能。比如下面這一段代碼：
publicsynchronizedvoidsyncMehod(){
beforeMethod();
mutexMethod();
afterMethod();
}
此實(shí)例如果只有mutexMethod()方法是有同步需要的，而在beforeMethod(),和afterMethod()并不需要做同步控制。如果beforeMethod(),和afterMethod()分別是重量級(jí)的方法，則會(huì)花費(fèi)較長(zhǎng)的CPU時(shí)間。在這個(gè)時(shí)候，如果并發(fā)量較大時(shí)，使用這種同步方案會(huì)導(dǎo)致等待線程大量增加。因?yàn)楫?dāng)前執(zhí)行的線程只有在執(zhí)行完所有任務(wù)后，才會(huì)釋放鎖。
下面是優(yōu)化后的方案，只在必要的時(shí)候進(jìn)行同步，這樣就能明顯減少線程持有鎖的時(shí)間，提高系統(tǒng)的吞吐量。代碼如下：
publicvoidsyncMehod(){
beforeMethod();
synchronized(this){
mutexMethod();
}
afterMethod();
}
3、減少鎖粒度
減小鎖粒度也是一種削弱多線程鎖競(jìng)爭(zhēng)的一種有效手段，這種技術(shù)典型的使用場(chǎng)景就是ConcurrentHashMap這個(gè)類。在普通的HashMap中每當(dāng)對(duì)集合進(jìn)行add()操作或者get()操作時(shí)，總是獲得集合對(duì)象的鎖。這種操作完全是一種同步行為，因?yàn)殒i是在整個(gè)集合對(duì)象上的，因此，在高并發(fā)時(shí)，激烈的鎖競(jìng)爭(zhēng)會(huì)影響到系統(tǒng)的吞吐量。
如果看過(guò)源碼的同學(xué)應(yīng)該知道HashMap是數(shù)組+鏈表的方式做實(shí)現(xiàn)的。ConcurrentHashMap在HashMap的基礎(chǔ)上將整個(gè)HashMap分成若干個(gè)段(Segment)，每個(gè)段都是一個(gè)子HashMap。如果需要在增加一個(gè)新的表項(xiàng)，并不是將這個(gè)HashMap加鎖，二十搜線根據(jù)hashcode得到該表項(xiàng)應(yīng)該被存放在哪個(gè)段中，然后對(duì)該段加鎖，并完成put()操作。這樣，在多線程環(huán)境中，如果多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行寫入操作，只要被寫入的項(xiàng)不存在同一個(gè)段中，那么線程間便可以做到真正的并行。具體的實(shí)現(xiàn)希望讀者自己花點(diǎn)時(shí)間讀一讀ConcurrentHashMap這個(gè)類的源碼，這里就不再做過(guò)多描述了。
4、鎖分離
在前面提起過(guò)ReadWriteLock讀寫鎖，那么讀寫分離的延伸就是鎖的分離。同樣可以在JDK中找到鎖分離的源碼LinkedBlockingQueue。
publicclassLinkedBlockingQueueextendsAbstractQueue
implementsBlockingQueue, java.io.Serializable {
/* Lock held by take, poll, etc /
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
/** Wait queue for waiting takes */
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
/** Lock held by put, offer, etc */
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();
/** Wait queue for waiting puts */
private final Condition notFull = putLock.newCondition();
public E take() throws InterruptedException {
E x;
int c = -1;
final AtomicInteger count = this.count;
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lockInterruptibly(); // 不能有兩個(gè)線程同時(shí)讀取數(shù)據(jù)
try {
while (count.get() == 0) { // 如果當(dāng)前沒有可用數(shù)據(jù)，一直等待put()的通知
notEmpty.await();
}
x = dequeue(); // 從頭部移除一項(xiàng)
c = count.getAndDecrement(); // size減1
if (c > 1)
notEmpty.signal(); // 通知其他take()操作
} finally {
takeLock.unlock(); // 釋放鎖
}
if (c == capacity)
signalNotFull(); // 通知put()操作，已有空余空間
return x;
}
public void put(E e) throws InterruptedException {
if (e == null) throw new NullPointerException();
// Note: convention in all put/take/etc is to preset local var
// holding count negative to indicate failure unless set.
int c = -1;
Node node = new Node(e);
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
final AtomicInteger count = this.count;
putLock.lockInterruptibly(); // 不能有兩個(gè)線程同時(shí)put數(shù)據(jù)
try {
/*
* Note that count is used in wait guard even though it is
* not protected by lock. This works because count can
* only decrease at this point (all other puts are shut
* out by lock), and we (or some other waiting put) are
* signalled if it ever changes from capacity. Similarly
* for all other uses of count in other wait guards.
*/
while(count.get() == capacity) {// 隊(duì)列滿了 則等待
notFull.await();
}
enqueue(node);// 加入隊(duì)列
c = count.getAndIncrement();// size加1
if(c +1< capacity)
notFull.signal();// 如果有足夠空間，通知其他線程
}finally{
putLock.unlock();// 釋放鎖
}
if(c ==0)
signalNotEmpty();// 插入成功后，通知take()操作讀取數(shù)據(jù)
}
// other code
}
這里需要說(shuō)明一下的就是，take()和put()函數(shù)是相互獨(dú)立的，它們之間不存在鎖競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。只需要在take()和put()各自方法內(nèi)部分別對(duì)takeLock和putLock發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)。從而，削弱了鎖競(jìng)爭(zhēng)的可能性。
5、鎖粗化
上面說(shuō)到的減小鎖時(shí)間和粒度，這樣做就是為了滿足每個(gè)線程持有鎖的時(shí)間盡量短。但是，在粒度上應(yīng)該把握一個(gè)度，如果對(duì)用一個(gè)鎖不停地進(jìn)行請(qǐng)求、同步和釋放，其本身也會(huì)消耗系統(tǒng)寶貴的資源，反而加大了系統(tǒng)開銷。
我們需要知道的是，虛擬機(jī)在遇到一連串連續(xù)的對(duì)同一鎖不斷進(jìn)行請(qǐng)求和釋放的操作時(shí)，便會(huì)把所有的鎖操作整合成對(duì)鎖的一次請(qǐng)求，從而減少對(duì)鎖的請(qǐng)求同步次數(shù)，這樣的操作叫做鎖的粗化。下面是一段整合實(shí)例演示：
publicvoidsyncMehod(){
synchronized(lock){
method1();
}
synchronized(lock){
method2();
}
}
JVM整合后的形式：
publicvoidsyncMehod(){
synchronized(lock){
method1();
method2();
}
}
因此，這樣的整合給我們開發(fā)人員對(duì)鎖粒度的把握給出了很好的演示作用。
無(wú)鎖的并行計(jì)算
上面花了很大篇幅在說(shuō)鎖的事情，同時(shí)也提到過(guò)鎖是會(huì)帶來(lái)一定的上下文切換的額外資源開銷，在高并發(fā)時(shí)，”鎖“的激烈競(jìng)爭(zhēng)可能會(huì)成為系統(tǒng)瓶頸。因此，這里可以使用一種非阻塞同步方法。這種無(wú)鎖方式依然能保證數(shù)據(jù)和程序在高并發(fā)環(huán)境下保持多線程間的一致性。
1、非阻塞同步/無(wú)鎖
非阻塞同步方式其實(shí)在前面的ThreadLocal中已經(jīng)有所體現(xiàn)，每個(gè)線程擁有各自獨(dú)立的變量副本，因此在并行計(jì)算時(shí)，無(wú)需相互等待。這里筆者主要推薦一種更為重要的、基于比較并交換（Compare And Swap）CAS算法的無(wú)鎖并發(fā)控制方法。
CAS算法的過(guò)程：它包含3個(gè)參數(shù)CAS(V,E,N)。V表示要更新的變量，E表示預(yù)期值，N表示新值。僅當(dāng)V值等于E值時(shí)，才會(huì)將V的值設(shè)為N，如果V值和E值不同，則說(shuō)明已經(jīng)有其他線程做了更新，則當(dāng)前線程什么都不做。最后CAS返回當(dāng)前V的真實(shí)值。CAS操作時(shí)抱著樂觀的態(tài)度進(jìn)行的，它總是認(rèn)為自己可以成功完成操作。當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)使用CAS操作一個(gè)變量時(shí)，只有一個(gè)會(huì)勝出，并成功更新，其余俊輝失敗。失敗的線程不會(huì)被掛起，僅是被告知失敗，并且允許再次嘗試，當(dāng)然也允許失敗的線程放棄操作?；谶@樣的原理，CAS操作及時(shí)沒有鎖，也可以發(fā)現(xiàn)其他線程對(duì)當(dāng)前線程的干擾，并且進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>
2、原子量操作
JDK的java.util.concurrent.atomic包提供了使用無(wú)鎖算法實(shí)現(xiàn)的原子操作類，代碼內(nèi)部主要使用了底層native代碼的實(shí)現(xiàn)。有興趣的同學(xué)可以繼續(xù)跟蹤一下native層面的代碼。這里就不貼表層的代碼實(shí)現(xiàn)了。
下面主要以一個(gè)例子來(lái)展示普通同步方法和無(wú)鎖同步的性能差距：
publicclassTestAtomic {
privatestaticfinalintMAX_THREADS =3;
privatestaticfinalintTASK_COUNT =3;
privatestaticfinalintTARGET_COUNT =100*10000;
privateAtomicInteger acount =newAtomicInteger(0);
privateintcount =0;
synchronizedintinc() {
return++count;
}
synchronizedintgetCount() {
returncount;
}
publicclassSyncThreadimplementsRunnable {
String name;
longstartTime;
TestAtomic out;
publicSyncThread(TestAtomic o,longstartTime) {
this.out = o;
this.startTime = startTime;
}
@Override
publicvoidrun() {
intv = out.inc();
while(v < TARGET_COUNT) {
v = out.inc();
}
longendTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("SyncThread spend:"+ (endTime - startTime) +"ms"+", v="+ v);
}
}
publicclassAtomicThreadimplementsRunnable {
String name;
longstartTime;
publicAtomicThread(longstartTime) {
this.startTime = startTime;
}
@Override
publicvoidrun() {
intv = acount.incrementAndGet();
while(v < TARGET_COUNT) {
v = acount.incrementAndGet();
}
longendTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("AtomicThread spend:"+ (endTime - startTime) +"ms"+", v="+ v);
}
}
@Test
publicvoidtestSync()throwsInterruptedException {
ExecutorService exe = Executors.newFixedThreadPool(MAX_THREADS);
longstartTime = System.currentTimeMillis();
SyncThread sync =newSyncThread(this, startTime);
for(inti =0; i < TASK_COUNT; i++) {
exe.submit(sync);
}
Thread.sleep(10000);
}
@Test
publicvoidtestAtomic()throwsInterruptedException {
ExecutorService exe = Executors.newFixedThreadPool(MAX_THREADS);
longstartTime = System.currentTimeMillis();
AtomicThread atomic =newAtomicThread(startTime);
for(inti =0; i < TASK_COUNT; i++) {
exe.submit(atomic);
}
Thread.sleep(10000);
}
}
測(cè)試結(jié)果如下：
testSync():
SyncThread spend:201ms, v=1000002
SyncThread spend:201ms, v=1000000
SyncThread spend:201ms, v=1000001
testAtomic():
AtomicThread spend:43ms, v=1000000
AtomicThread spend:44ms, v=1000001
AtomicThread spend:46ms, v=1000002
相信這樣的測(cè)試結(jié)果將內(nèi)部鎖和非阻塞同步算法的性能差異體現(xiàn)的非常明顯。因此筆者更推薦直接視同atomic下的這個(gè)原子類。
結(jié)束語(yǔ)
終于把想表達(dá)的這些東西整理完成了，其實(shí)還有一些想CountDownLatch這樣的類沒有講到。不過(guò)上面的所講到的絕對(duì)是并發(fā)編程中的核心。也許有些讀者朋友能在網(wǎng)上看到很多這樣的知識(shí)點(diǎn)，但是個(gè)人還是覺得知識(shí)只有在對(duì)比的基礎(chǔ)上才能找到它合適的使用場(chǎng)景。因此，這也是小編整理這篇文章的原因，也希望這篇文章能幫到更多的同學(xué)。
