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目录
4.1.17. 如何在两个线程之间共享数据
将数据抽象成一个类并将数据的操作作为这个类的方法
Runnable 对象作为一个类的内部类
4.1.18. ThreadLocal 作用线程本地存储
ThreadLocalMap线程的一个属性
使用场景
4.1.19. synchronized 和 ReentrantLock 的区别
4.1.19.1. 两者的共同点
4.1.19.2. 两者的不同点
4.1.20. ConcurrentHashMap 并发
4.1.20.1. 减小锁粒度
4.1.20.2. ConcurrentHashMap 分段锁
ConcurrentHashMap 是由 Segment 数组结构和 HashEntry 数组结构组成
4.1.21. Java 中用到的线程调度
4.1.21.1. 抢占式调度
4.1.21.2. 协同式调度
4.1.21.3. JVM 的线程调度实现抢占式调度
4.1.21.4. 线程让出 cpu 的情况
4.1.22. 进程调度算法
4.1.22.1. 优先调度算法
4.1.22.2. 高优先权优先调度算法
1. 非抢占式优先权算法
2. 抢占式优先权调度算法
3高响应比优先调度算法
4.1.22.3. 基于时间片的轮转调度算法
1. 时间片轮转法
2. 多级反馈队列调度算法
4.1.23.1. 概念及特性
4.1.23.2. 原子包 java.util.concurrent.atomic锁自旋 JDK1.5 的原子包
4.1.23.3. ABA 问题 4.1.17. 如何在两个线程之间共享数据
Java 里面进行多线程通信的主要方式就是共享内存的方式共享内存主要的关注点有两个可见 性和有序性原子性。Java 内存模型JMM解决了可见性和有序性的问题而锁解决了原子性的 问题理想情况下我们希望做到“同步”和“互斥”。有以下常规实现方法
将数据抽象成一个类并将数据的操作作为这个类的方法
1. 将数据抽象成一个类并将对这个数据的操作作为这个类的方法这么设计可以和容易做到 同步只要在方法上加”synchronized“
public class MyData {private int j0;public synchronized void add(){j;System.out.println(线程Thread.currentThread().getName()j 为j);}public synchronized void dec(){j--;System.out.println(线程Thread.currentThread().getName()j 为j);}public int getData(){return j;}}
public class AddRunnable implements Runnable{MyData data;public AddRunnable(MyData data){this.data data;} public void run() {data.add();}}
public class DecRunnable implements Runnable {MyData data;public DecRunnable(MyData data){this.data data;}public void run() {data.dec();}}
public static void main(String[] args) {MyData data new MyData();Runnable add new AddRunnable(data);Runnable dec new DecRunnable(data);for(int i0;i2;i){new Thread(add).start();new Thread(dec).start();} Runnable 对象作为一个类的内部类
2. 将 Runnable 对象作为一个类的内部类共享数据作为这个类的成员变量每个线程对共享数 据的操作方法也封装在外部类以便实现对数据的各个操作的同步和互斥作为内部类的各 个 Runnable 对象调用外部类的这些方法。
public class MyData {private int j0;public synchronized void add(){j;System.out.println(线程Thread.currentThread().getName()j 为j);}public synchronized void dec(){j--;System.out.println(线程Thread.currentThread().getName()j 为j);}public int getData(){return j;}}
public class TestThread {public static void main(String[] args) {final MyData data new MyData();for(int i0;i2;i){new Thread(new Runnable(){public void run() {data.add();}}).start();new Thread(new Runnable(){public void run() {data.dec();}}).start();}}
}4.1.18. ThreadLocal 作用线程本地存储
ThreadLocal很多地方叫做线程本地变量也有些地方叫做线程本地存储ThreadLocal 的作用 是提供线程内的局部变量这种变量在线程的生命周期内起作用减少同一个线程内多个函数或 者组件之间一些公共变量的传递的复杂度。
ThreadLocalMap线程的一个属性
1. 每个线程中都有一个自己的 ThreadLocalMap 类对象可以将线程自己的对象保持到其中 各管各的线程可以正确的访问到自己的对象
。 2. 将一个共用的 ThreadLocal 静态实例作为 key将不同对象的引用保存到不同线程的 ThreadLocalMap 中然后在线程执行的各处通过这个静态 ThreadLocal 实例的 get()方法取 得自己线程保存的那个对象避免了将这个对象作为参数传递的麻烦。
3. ThreadLocalMap 其实就是线程里面的一个属性它在 Thread 类中定义ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals null; 使用场景
最常见的 ThreadLocal 使用场景为 用来解决 数据库连接、Session 管理等。 private static final ThreadLocal threadSession new ThreadLocal();public static Session getSession() throws InfrastructureException {Session s (Session) threadSession.get();try {if (s null) {s getSessionFactory().openSession();threadSession.set(s);}} catch (HibernateException ex) {throw new InfrastructureException(ex);}return s;} 4.1.19. synchronized 和 ReentrantLock 的区别
4.1.19.1. 两者的共同点
1. 都是用来协调多线程对共享对象、变量的访问
2. 都是可重入锁同一线程可以多次获得同一个锁 3. 都保证了可见性和互斥性
4.1.19.2. 两者的不同点
1. ReentrantLock 显示的获得、释放锁synchronized 隐式获得释放锁
2. ReentrantLock 可响应中断、可轮回synchronized 是不可以响应中断的为处理锁的 不可用性提供了更高的灵活性
3. ReentrantLock 是 API 级别的synchronized 是 JVM 级别的
4. ReentrantLock 可以实现公平锁
5. ReentrantLock 通过 Condition 可以绑定多个条件
6. 底层实现不一样 synchronized 是同步阻塞使用的是悲观并发策略lock 是同步非阻 塞采用的是乐观并发策略
7. Lock 是一个接口而 synchronized 是 Java 中的关键字synchronized 是内置的语言 实现。
8. synchronized 在发生异常时会自动释放线程占有的锁因此不会导致死锁现象发生 而 Lock 在发生异常时如果没有主动通过 unLock()去释放锁则很可能造成死锁现象 因此使用 Lock 时需要在 finally 块中释放锁。
9. Lock 可以让等待锁的线程响应中断而 synchronized 却不行使用 synchronized 时 等待的线程会一直等待下去不能够响应中断。
10. 通过 Lock 可以知道有没有成功获取锁而 synchronized 却无法办到。
11. Lock 可以提高多个线程进行读操作的效率既就是实现读写锁等。
4.1.20. ConcurrentHashMap 并发
4.1.20.1. 减小锁粒度
减小锁粒度是指缩小锁定对象的范围从而减小锁冲突的可能性从而提高系统的并发能力。减 小锁粒度是一种削弱多线程锁竞争的有效手段这种技术典型的应用是 ConcurrentHashMap(高 性能的 HashMap)类的实现。对于 HashMap 而言最重要的两个方法是 get 与 set 方法如果我 们对整个 HashMap 加锁可以得到线程安全的对象但是加锁粒度太大。Segment 的大小也被 称为 ConcurrentHashMap 的并发度。
4.1.20.2. ConcurrentHashMap 分段锁 ConcurrentHashMap它内部细分了若干个小的 HashMap称之为段(Segment)。默认情况下 一个 ConcurrentHashMap 被进一步细分为 16 个段既就是锁的并发度。 如果需要在 ConcurrentHashMap 中添加一个新的表项并不是将整个 HashMap 加锁而是首 先根据 hashcode 得到该表项应该存放在哪个段中然后对该段加锁并完成 put 操作。在多线程 环境中如果多个线程同时进行 put操作只要被加入的表项不存放在同一个段中则线程间可以 做到真正的并行。
ConcurrentHashMap 是由 Segment 数组结构和 HashEntry 数组结构组成
ConcurrentHashMap 是由 Segment 数组结构和 HashEntry 数组结构组成。Segment 是一种可 重入锁 ReentrantLock在 ConcurrentHashMap 里扮演锁的角色HashEntry 则用于存储键值 对数据。一个 ConcurrentHashMap 里包含一个 Segment 数组Segment 的结构和 HashMap 类似是一种数组和链表结构 一个 Segment 里包含一个 HashEntry 数组每个 HashEntry 是 一个链表结构的元素 每个 Segment 守护一个 HashEntry 数组里的元素,当对 HashEntry 数组的 数据进行修改时必须首先获得它对应的 Segment 锁。 4.1.21. Java 中用到的线程调度
4.1.21.1. 抢占式调度
抢占式调度指的是每条线程执行的时间、线程的切换都由系统控制系统控制指的是在系统某种 运行机制下可能每条线程都分同样的执行时间片也可能是某些线程执行的时间片较长甚至 某些线程得不到执行的时间片。在这种机制下一个线程的堵塞不会导致整个进程堵塞。 4.1.21.2. 协同式调度
协同式调度指某一线程执行完后主动通知系统切换到另一线程上执行这种模式就像接力赛一样 一个人跑完自己的路程就把接力棒交接给下一个人下个人继续往下跑。线程的执行时间由线程 本身控制线程切换可以预知不存在多线程同步问题但它有一个致命弱点如果一个线程编 写有问题运行到一半就一直堵塞那么可能导致整个系统崩溃。 抢占式调度 协同式调度
4.1.21.3. JVM 的线程调度实现抢占式调度
java 使用的线程调使用抢占式调度Java 中线程会按优先级分配 CPU 时间片运行且优先级越高 越优先执行但优先级高并不代表能独自占用执行时间片可能是优先级高得到越多的执行时间 片反之优先级低的分到的执行时间少但不会分配不到执行时间。
4.1.21.4. 线程让出 cpu 的情况
1. 当前运行线程主动放弃 CPUJVM 暂时放弃 CPU 操作基于时间片轮转调度的 JVM 操作系 统不会让线程永久放弃 CPU或者说放弃本次时间片的执行权例如调用 yield()方法。
2. 当前运行线程因为某些原因进入阻塞状态例如阻塞在 I/O 上。
3. 当前运行线程结束即运行完 run()方法里面的任务。
4.1.22. 进程调度算法
4.1.22.1. 优先调度算法
1. 先来先服务调度算法FCFS 当在作业调度中采用该算法时每次调度都是从后备作业队列中选择一个或多个最先进入该队 列的作业将它们调入内存为它们分配资源、创建进程然后放入就绪队列。在进程调度中采 用 FCFS 算法时则每次调度是从就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程为之分配处理机使之投入运行。该进程一直运行到完成或发生某事件而阻塞后才放弃处理机特点是算法比较 简单可以实现基本上的公平。
2. 短作业(进程)优先调度算法 短作业优先(SJF)的调度算法是从后备队列中选择一个或若干个估计运行时间最短的作业将它们 调入内存运行。而短进程优先(SPF)调度算法则是从就绪队列中选出一个估计运行时间最短的进程 将处理机分配给它使它立即执行并一直执行到完成或发生某事件而被阻塞放弃处理机时再重 新调度。该算法未照顾紧迫型作业。
4.1.22.2. 高优先权优先调度算法
为了照顾紧迫型作业使之在进入系统后便获得优先处理引入了最高优先权优先(FPF)调度 算法。当把该算法用于作业调度时系统将从后备队列中选择若干个优先权最高的作业装入内存。 当用于进程调度时该算法是把处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程。
1. 非抢占式优先权算法
在这种方式下系统一旦把处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程后该进程便一直执行下 去直至完成或因发生某事件使该进程放弃处理机时。这种调度算法主要用于批处理系统中 也可用于某些对实时性要求不严的实时系统中。
2. 抢占式优先权调度算法
在这种方式下系统同样是把处理机分配给优先权最高的进程使之执行。但在其执行期间只 要又出现了另一个其优先权更高的进程进程调度程序就立即停止当前进程(原优先权最高的进程) 的执行重新将处理机分配给新到的优先权最高的进程。显然这种抢占式的优先权调度算法能 更好地满足紧迫作业的要求故而常用于要求比较严格的实时系统中以及对性能要求较高的批 处理和分时系统中。
3高响应比优先调度算法
在批处理系统中短作业优先算法是一种比较好的算法其主要的不足之处是长作业的运行 得不到保证。如果我们能为每个作业引入前面所述的动态优先权并使作业的优先级随着等待时 间的增加而以速率 a 提高则长作业在等待一定的时间后必然有机会分配到处理机。该优先权的 变化规律可描述为 (1) 如果作业的等待时间相同则要求服务的时间愈短其优先权愈高因而该算法有利于 短作业。
(2) 当要求服务的时间相同时作业的优先权决定于其等待时间等待时间愈长其优先权 愈高因而它实现的是先来先服务。
(3) 对于长作业作业的优先级可以随等待时间的增加而提高当其等待时间足够长时其 优先级便可升到很高从而也可获得处理机。简言之该算法既照顾了短作业又考虑了作业到 达的先后次序不会使长作业长期得不到服务。因此该算法实现了一种较好的折衷。当然在 利用该算法时每要进行调度之前都须先做响应比的计算这会增加系统开销。
4.1.22.3. 基于时间片的轮转调度算法
1. 时间片轮转法
在早期的时间片轮转法中系统将所有的就绪进程按先来先服务的原则排成一个队列每次调度 时把 CPU 分配给队首进程并令其执行一个时间片。时间片的大小从几 ms 到几百 ms。当执行 的时间片用完时由一个计时器发出时钟中断请求调度程序便据此信号来停止该进程的执行 并将它送往就绪队列的末尾然后再把处理机分配给就绪队列中新的队首进程同时也让它执 行一个时间片。这样就可以保证就绪队列中的所有进程在一给定的时间内均能获得一时间片的处 理机执行时间。
2. 多级反馈队列调度算法
(1) 应设置多个就绪队列并为各个队列赋予不同的优先级。第一个队列的优先级最高第二 个队列次之其余各队列的优先权逐个降低。该算法赋予各个队列中进程执行时间片的大小也各 不相同在优先权愈高的队列中为每个进程所规定的执行时间片就愈小。例如第二个队列的 时间片要比第一个队列的时间片长一倍……第 i1 个队列的时间片要比第 i 个队列的时间片长 一倍。
(2) 当一个新进程进入内存后首先将它放入第一队列的末尾按 FCFS 原则排队等待调度。当 轮到该进程执行时如它能在该时间片内完成便可准备撤离系统如果它在一个时间片结束时 尚未完成调度程序便将该进程转入第二队列的末尾再同样地按 FCFS 原则等待调度执行如果 它在第二队列中运行一个时间片后仍未完成再依次将它放入第三队列……如此下去当一个 长作业(进程)从第一队列依次降到第 n 队列后在第 n 队列便采取按时间片轮转的方式运行。
(3) 仅当第一队列空闲时调度程序才调度第二队列中的进程运行仅当第 1(i-1)队列均空时 才会调度第 i 队列中的进程运行。如果处理机正在第 i 队列中为某进程服务时又有新进程进入优 先权较高的队列(第 1(i-1)中的任何一个队列)则此时新进程将抢占正在运行进程的处理机即 由调度程序把正在运行的进程放回到第 i 队列的末尾把处理机分配给新到的高优先权进程。 在多级反馈队列调度算法中如果规定第一个队列的时间片略大于多数人机交互所需之处理时间 时便能够较好的满足各种类型用户的需要。
4.1.23.1. 概念及特性
CASCompare And Swap/Set比较并交换CAS 算法的过程是这样它包含 3 个参数 CAS(V,E,N)。V 表示要更新的变量(内存值)E 表示预期值(旧的)N 表示新值。当且仅当 V 值等于 E 值时才会将 V 的值设为 N如果 V 值和 E 值不同则说明已经有其他线程做了更新则当 前线程什么都不做。最后CAS 返回当前 V 的真实值。 CAS 操作是抱着乐观的态度进行的(乐观锁)它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时 使用 CAS 操作一个变量时只有一个会胜出并成功更新其余均会失败。失败的线程不会被挂 起仅是被告知失败并且允许再次尝试当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理 CAS 操作即使没有锁也可以发现其他线程对当前线程的干扰并进行恰当的处理。
4.1.23.2. 原子包 java.util.concurrent.atomic锁自旋 JDK1.5 的原子包
java.util.concurrent.atomic 这个包里面提供了一组原子类。其基本的特性就 是在多线程环境下当有多个线程同时执行这些类的实例包含的方法时具有排他性即当某个 线程进入方法执行其中的指令时不会被其他线程打断而别的线程就像自旋锁一样一直等 到该方法执行完成才由 JVM 从等待队列中选择一个另一个线程进入这只是一种逻辑上的理解。 相对于对于 synchronized 这种阻塞算法CAS 是非阻塞算法的一种常见实现。由于一般 CPU 切 换时间比 CPU 指令集操作更加长 所以 J.U.C 在性能上有了很大的提升。如下代码 public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {private volatile int value;public final int get() {return value;}public final int getAndIncrement() {for (;;) { //CAS 自旋一直尝试直达成功int current get();int next current 1;if (compareAndSet(current, next))return current;}}public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);}
} getAndIncrement 采用了 CAS 操作每次从内存中读取数据然后将此数据和1 后的结果进行 CAS 操作如果成功就返回结果否则重试直到成功为止。而 compareAndSet 利用 JNI 来完成 CPU 指令的操作。 4.1.23.3. ABA 问题
CAS 会导致“ABA 问题”。CAS 算法实现一个重要前提需要取出内存中某时刻的数据而在下时 刻比较并替换那么在这个时间差类会导致数据的变化。
比如说一个线程 one 从内存位置 V 中取出 A这时候另一个线程 two 也从内存中取出 A并且 two 进行了一些操作变成了 B然后 two 又将 V 位置的数据变成 A这时候线程 one 进行 CAS 操 作发现内存中仍然是 A然后 one 操作成功。尽管线程 one 的 CAS 操作成功但是不代表这个过 程就是没有问题的。
部分乐观锁的实现是通过版本号version的方式来解决 ABA 问题乐观锁每次在执行数据的修 改操作时都会带上一个版本号一旦版本号和数据的版本号一致就可以执行修改操作并对版本 号执行1 操作否则就执行失败。因为每次操作的版本号都会随之增加所以不会出现 ABA 问 题因为版本号只会增加不会减少。
