java并发的处理方式

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原文转载自:http://blog.csdn.net/dengshengjin2234/article/details/10051589 

1 什么是并发问题。

多个进程或线程同时(或着说在同一段时间内)访问同一资源会产生并发问题。

银行两操作员同时操作同一账户就是典型的例子。比如A、B操作员同时读取一余额为1000元的账户,A操作员为该账户增加100元,B操作员同时为该账户减去 50元,A先提交,B后提交。 最后实际账户余额为1000-50=950元,但本该为 1000+100-50=1050。这就是典型的并发问题。如何解决?可以用锁。

  1. 用法1

    某线程执行print()方法,则该对象将加锁。其它线程将无法执行该对象的所有synchronized块。

  2. 用法2

    同用法1, 但更能体现synchronized用法的本质。

  3. 用法3

    执行print(),会给对象a加锁,注意不是给Test的对象加锁,也就是说 Test对象的其它synchronized方法不会因为print()而被锁。同步代码块执行完,则释放对a的锁。

    为了锁住一个对象的代码块而不影响该对象其它 synchronized块的高性能写法:

  4. 静态方法的锁

    效果同

3 Java中的锁与排队上厕所。

锁就是阻止其它进程或线程进行资源访问的一种方式,即锁住的资源不能被其它请求访问。在JAVA中,sychronized关键字用来对一个对象加锁。比如:

Java的加锁解锁跟多个人排队等一个公共厕位完全一样。第一个人进去后顺手把门从里面锁住,其它人只好排队等。第一个人结束后出来时,门才会打开(解锁)。轮到第二个人进去,同样他又会把门从里面锁住,其它人继续排队等待。

用厕所理论可以很容易明白: 一个人进了一个厕位,这个厕位就会锁住,但不会导致另一个厕位也被锁住,因为一个人不能同时蹲在两个厕位里。对于Java 就是说:Java中的锁是针对同一个对象的,不是针对class的。看下例:

m1对象的锁是不会影响m2的锁的,因为它们不是同一个厕位。就是说,假设有 3线程t1,t2,t3操作m1,那么这3个线程只可能在m1上排队等,假设另2个线程 t8,t9在操作m2,那么t8,t9只会在m2上等待。而t2和t8则没有关系,即使m2上的锁释放了,t1,t2,t3可能仍要在m1上排队。原因无它,不是同一个厕位耳。

Java不能同时对一个代码块加两个锁,这和数据库锁机制不同,数据库可以对一条记录同时加好几种不同的锁,请参见:

http://hi.baidu.com/dapplehou/blog/item/b341a97744fe6616b151b9a3.html

4 何时释放锁?

一般是执行完毕同步代码块(锁住的代码块)后就释放锁,也可以用wait()方式半路上释放锁。wait()方式就好比蹲厕所到一半,突然发现下水道堵住了,不得已必须出来站在一边,好让修下水道师傅(准备执行notify的一个线程)进去疏通马桶,疏通完毕,师傅大喊一声: "已经修好了"(notify),刚才出来的同志听到后就重新排队。注意啊,必须等师傅出来啊,师傅不出来,谁也进不去。也就是说notify后,不是其它线程马上可以进入封锁区域活动了,而是必须还要等notify代码所在的封锁区域执行完毕从而释放锁以后,其它线程才可进入。

这里是wait与notify代码示例:

再深入一些。

由于wait()操作而半路出来的同志没收到notify信号前是不会再排队的,他会在旁边看着这些排队的人(其中修水管师傅也在其中)。注意,修水管的师傅不能插队,也得跟那些上厕所的人一样排队,不是说一个人蹲了一半出来后,修水管师傅就可以突然冒出来然后立刻进去抢修了,他要和原来排队的那帮人公平竞争,因为他也是个普通线程。如果修水管师傅排在后面,则前面的人进去后,发现堵了,就wait,然后出来站到一边,再进去一个,再wait,出来,站到一边,只到师傅进去执行notify. 这样,一会儿功夫,排队的旁边就站了一堆人,等着notify.

终于,师傅进去,然后notify了,接下来呢?

Java DOC 上说,The awakened threads will not be able to proceed until the current thread relinquishes the lock on this object(当前线程释放锁前,唤醒的线程不能去执行)。

这用厕位理论解释就是显而易见的事。

5 Lock的使用

用synchronized关键字可以对资源加锁。用Lock关键字也可以。它是JDK1.5中新增内容。用法如下:

(注:这是JavaDoc里的例子,是一个阻塞队列的实现例子。所谓阻塞队列,就是一个队列如果满了或者空了,都会导致线程阻塞等待。Java里的 ArrayBlockingQueue提供了现成的阻塞队列,不需要自己专门再写一个了。)

一个对象的lock.lock()和lock.unlock()之间的代码将会被锁住。这种方式比起synchronize好在什么地方?简而言之,就是对wait的线程进行了分类。用厕位理论来描述,则是那些蹲了一半而从厕位里出来等待的人原因可能不一样,有的是因为马桶堵了,有的是因为马桶没水了。通知(notify)的时候,就可以喊:因为马桶堵了而等待的过来重新排队(比如马桶堵塞问题被解决了),或者喊,因为马桶没水而等待的过来重新排队(比如马桶没水问题被解决了)。这样可以控制得更精细一些。不像synchronize里的wait和notify,不管是马桶堵塞还是马桶没水都只能喊:刚才等待的过来排队!假如排队的人进来一看,发现原来只是马桶堵塞问题解决了,而自己渴望解决的问题(马桶没水)还没解决,只好再回去等待(wait),白进来转一圈,浪费时间与资源。

Lock方式与synchronized对应关系:

Lock await signal signalAll
synchronized wait notify notifyAll

注意:不要在Lock方式锁住的块里调用wait、notify、notifyAll

6 利用管道进行线程间通信

原理简单。两个线程,一个操作PipedInputStream,一个操作 PipedOutputStream。PipedOutputStream写入的数据先缓存在Buffer中,如果 Buffer满,此线程wait。PipedInputStream读出Buffer中的数据,如果Buffer 没数据,此线程wait。

jdk1.5中的阻塞队列可实现同样功能。

  1. 例1 这个例子实际上只是单线程,还谈不上线程间通信,但不妨一看。

    http://hi.baidu.com/ecspell/blog/item/7b02d3133ab555005aaf53f5.html

  2. 例2 对上面的程序做少许改动就成了两个线程。

  3. 例3. 这个例子更加贴进应用

7 阻塞队列

阻塞队列可以代替管道流方式来实现进水管/排水管模式(生产者/消费者).JDK1.5提供了几个现成的阻塞队列. 现在来看ArrayBlockingQueue的代码如下:

这里是一个阻塞队列

一个线程从队列里取

另一个线程往队列存

可见,阻塞队列使用起来比管道简单。

8 使用Executors、Executor、ExecutorService、ThreadPoolExecutor

可以使用线程管理任务。还可以使用jdk1.5提供的一组类来更方便的管理任务。从这些类里我们可以体会一种面向任务的思维方式。这些类是:

  1. Executor接口。使用方法:

    用意:使用者只关注任务执行,不用操心去关注任务的创建、以及执行细节等这些第三方实现者关心的问题。也就是说,把任务的调用执行和任务的实现解耦。

    实际上,JDK1.5中已经有该接口出色的实现。够用了。

  2. Executors是一个如同Collections一样的工厂类或工具类,用来产生各种不同接口的实例。
  3. ExecutorService接口它继承自Executor. Executor只管把任务扔进 executor()里去执行,剩余的事就不管了。而ExecutorService则不同,它会多做点控制工作。比如:

    ExecutorService(也就是代码里的pool对象)执行shutdown后,它就不能再执行新任务了,但老任务会继续执行完毕,那些等待执行的任务也不再等待了。

  4. 任务提交者与执行者通讯

    Executors.newSingleThreadExecutor()取得的Executor实例有以下特性:

    1. 任务顺序执行. 比如:

      必须等task1执行完,task2才能执行。

    2. task1和task2会被放入一个队列里,由一个工作线程来处理。即:一共有2个线程(主线程、处理任务的工作线程)。
  5. 其它的类请参考Java Doc

9 并发流程控制

本节例子来自温少的Java并发教程,可能会有改动。向温少致敬。

  1. CountDownLatch 门插销计数器
    1. 启动线程,然后等待线程结束。即常用的主线程等所有子线程结束后再执行的问题。

      JDK1.4时,常用办法是给子线程设置状态,主线程循环检测。易用性和效率都不好。

    2. 启动很多线程,等待通知才能开始
  2. CycliBarrier. 等所有线程都达到一个起跑线后才能开始继续运行。

    这简化了传统的用计数器+wait/notifyAll来实现该功能的方式。

10 并发3定律

  1. Amdahl定律. 给定问题规模,可并行化部分占12%,那么即使把并行运用到极致,系统的性能最多也只能提高1/(1-0.12)=1.136倍。即:并行对提高系统性能有上限。
  2. Gustafson定律. Gustafson定律说Amdahl定律没有考虑随着cpu的增多而有更多的计算能力可被使用。其本质在于更改问题规模从而可以把Amdahl定律中那剩下的88%的串行处理并行化,从而可以突破性能门槛。本质上是一种空间换时间。
  3. Sun-Ni定律. 是前两个定律的进一步推广。其主要思想是计算的速度受限于存储而不是CPU的速度. 所以要充分利用存储空间等计算资源,尽量增大问题规模以产生更好/更精确的解.

11 由并发到并行

计算机识别物体需要飞速的计算,以至于芯片发热发烫,而人在识别物体时却一目了然,却并不会导致某个脑细胞被烧热烧焦(夸张)而感到不适,是由于大脑是一个分布式并行运行系统,就像google用一些廉价的linux服务器可以进行庞大复杂的计算一样,大脑内部无数的神经元的独自计算,互相分享成果,从而瞬间完成需要单个cpu万亿次运算才能有的效果。试想,如果在并行处理领域有所创建,将对计算机的发展和未来产生不可估量的影响。当然,其中的挑战也可想而知:许多的问题是并不容易轻易就“分割”的了的。

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