1 同步如何同步多個(gè)線程對(duì)共享資源的訪問是多線程編程中最基本的問題之一。當(dāng)多個(gè)線程并發(fā)訪問共享數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)處于計(jì)算中間狀態(tài)或者不一致的問題，從而影響到程序的正確運(yùn)行。我們通常把這種情況叫做競(jìng)爭(zhēng)條件（race condition），把并發(fā)訪問共享數(shù)據(jù)的代碼叫做關(guān)鍵區(qū)域（critical section）。同步就是使得多個(gè)線程順序進(jìn)入關(guān)鍵區(qū)域從而避免競(jìng)爭(zhēng)條件的發(fā)生。 1.1 Synchronized關(guān)鍵字Synchronized是Java多線程編程中最常用的關(guān)鍵字。所有的Java 對(duì)象都有自己唯一的隱式同步鎖。該鎖只能同時(shí)被一個(gè)線程獲得，其他試圖獲得該鎖的線程都會(huì)被阻塞在對(duì)象的等待隊(duì)列中直到獲得該鎖的線程釋放鎖才能繼續(xù)工作。Synchronized關(guān)鍵字通常有兩種用法。當(dāng)Synchronized關(guān)鍵字用于類方法定義中時(shí)，表示所有調(diào)用該方法的線程都必須獲得當(dāng)前對(duì)象的鎖。這種方式比較簡(jiǎn)單，但是同步的粒度比較大，當(dāng)一個(gè)線程要執(zhí)行某個(gè)對(duì)象的同步方法的時(shí)候，必須同時(shí)沒有任何其他線程在執(zhí)行該對(duì)象的任一同步方法。此外，同步方法中的所有代碼均在同步塊中，獲得鎖的線程必須在執(zhí)行完所有的代碼離開該方法后才會(huì)釋放鎖，這些代碼中可能只有一部分涉及到對(duì)共享資源（例如成員變量）的訪問需要同步，其余則不需要，那么這樣粗粒度的同步顯然增加了其他線程的等待時(shí)間。Synchronized的另一種 用法允許作用在某個(gè)對(duì)象上，并且只同步一段代碼而不是整個(gè)方法。
synchronized (object) { // 需要同步的代碼 }
這里synchronized所作用的對(duì)象可以是類的某個(gè)成員變量，也可以是這個(gè)類對(duì)象（用this表示）。這種用法使得程序員可以根據(jù)需要同步不同的成員變量，而不總是當(dāng)前類對(duì)象，提高了靈活性。 值得一提的是，并不是只有對(duì)象才有鎖，類本身也有自己的鎖，這使得static方法同樣可以用synchronized來修飾。訪問同步static方法的線程需要獲得類的同步鎖才能繼續(xù)執(zhí)行。 1.2 Volatile關(guān)鍵字在Java內(nèi)存模型中每個(gè)線程擁有自己的本地存儲(chǔ)(例如寄存器)，并且允許線程擁有變量值的拷貝。這使得本來不需要同步的一些原子操作，例如boolean成員變量存儲(chǔ)和讀取也變得不安全。設(shè)想我們有個(gè)叫做done的boolean成員變量和一個(gè)當(dāng)done為true時(shí)才會(huì)停止的循環(huán)，該循環(huán)由后臺(tái)線程執(zhí)行，另一個(gè)UI線程等待用戶輸入，用戶按下某個(gè)按鈕以后會(huì)把done設(shè)成true從而終止循環(huán)。由于UI線程自己本地?fù)碛衐one的拷貝，用戶在按下按鈕時(shí)只是把自己本地的done設(shè)成了true而沒有及時(shí)更新主內(nèi)存中的done，所以后臺(tái)線程由于看不到done的改變而不會(huì)終止。即使主內(nèi)存中的done變化了，后臺(tái)線程也會(huì)因?yàn)樽约罕镜氐淖兞恐禌]有及時(shí)更新而沒有察覺到done的變化。解決這一問題的方法之一是為done提供synchronized的setter和getter方法，這是因?yàn)楂@得同步鎖會(huì)迫使所有變量的值從臨時(shí)存儲(chǔ)(寄存器)寫會(huì)主內(nèi)存。除此之外，Java提供了一個(gè)解決這個(gè)問題更為優(yōu)雅的方法：Volatile關(guān)鍵字。每次使用volatile變量，JVM都會(huì)保證從主內(nèi)存中讀取它的值；同樣每次修改volatile變量，JVM都會(huì)把值寫回到主內(nèi)存中。 Volatile適用的場(chǎng)景比較嚴(yán)格，必須很清楚地看到volatile只是告訴JVM對(duì)于該變量的讀寫必須每次都在主內(nèi)存中進(jìn)行而禁止使用臨時(shí)的拷貝來優(yōu)化，它只是出于JVM特殊的內(nèi)存模型的需要，并沒有同步的功能。因此只有對(duì)volatile變量進(jìn)行的原子操作（讀取和賦值）才是線程安全的，像自增++自減--這樣包含多個(gè)命令的操作仍然需要其它的同步措施。 另一個(gè)需要注意的的地方是當(dāng)用volatile修飾數(shù)組的時(shí)候，它只是說數(shù)組的引用是volatile的，而數(shù)組中的元素還是和普通變量一樣，可能被JVM優(yōu)化，我們無法為數(shù)組中的元素加上volatile修飾。解決上述問題的方法是使用Atomic變量。作為使用volatile修飾數(shù)組的一個(gè)例子，可以參考java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList。它的add操作是通過復(fù)制原來的數(shù)組并把新元素添加到新數(shù)組末尾然后再把內(nèi)部數(shù)組引用變量指向新數(shù)組來實(shí)現(xiàn)的，因此數(shù)組變量經(jīng)常會(huì)被修改，需要使用volatile。 1.3 顯式鎖Lock盡管synchronized關(guān)鍵字可以解決大多數(shù)同步問題，J2SE5.0還是引入了Lock接口。相比使用synchronized關(guān)鍵字獲取對(duì)象隱式的同步鎖，我們稱Lock為顯式鎖。使用顯式鎖的一個(gè)顯而易見的好處是它不再屬于某個(gè)對(duì)象，從而可以在多個(gè)對(duì)象之間共享它。Lock接口有l(wèi)ock()和unlock()兩個(gè)方法，使用它們和使用synchronized關(guān)鍵字類似，在進(jìn)入需要同步的代碼之前調(diào)用lock，在離開同步代碼塊時(shí)調(diào)用unlock。通常unlock會(huì)被放在finally中以保證即使同步代碼塊中有異常發(fā)生，鎖仍然可以被釋放。 和使用synchronized關(guān)鍵字和lock()方法總是把未能獲得鎖的線程阻塞不同，Lock接口還提供了非阻塞的tryLock()方法。調(diào)用tryLock方法的線程如果未能獲得鎖會(huì)立刻返回false，線程可以繼續(xù)執(zhí)行其他代碼而避免等待，這為程序員提供了更多自由。 Lock接口還提供了一個(gè)newCondition () 方法，它返回一個(gè)Condition對(duì)象。Condition對(duì)象的作用和Object用于線程通知的wait-notify機(jī)制相同。 1.4 信號(hào)量Semaphore有時(shí)候我們有多個(gè)相同的共享資源可以同時(shí)被多個(gè)線程使用。我們希望在鎖的基礎(chǔ)上加上一個(gè)計(jì)數(shù)器，根據(jù)資源的個(gè)數(shù)來初始化這個(gè)計(jì)數(shù)器，每次成功的lock操作都會(huì)使計(jì)數(shù)器的值減去1，只要計(jì)數(shù)器的值不為零就表示還有資源可以使用，lock操作就能成功。每次unlock操作都會(huì)給這個(gè)計(jì)數(shù)器加1。只有當(dāng)計(jì)數(shù)器的值為0的時(shí)候lock操作才會(huì)阻塞當(dāng)前線程。這就是Java中的信號(hào)量Semaphore。 Semaphore類提供的方法和Lock接口非常類似，當(dāng)把信號(hào)量的資源個(gè)數(shù)設(shè)置成1時(shí)，信號(hào)量就退化為普通的鎖。 1.5 讀寫鎖ReadWriteLock對(duì)共享資源的訪問通?？梢苑譃樽x取和寫入。在有些應(yīng)用場(chǎng)景中讀取可能需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，我們需要使用互斥鎖來阻止并發(fā)的寫入操作以保證數(shù)據(jù)的一致性。但是對(duì)于并發(fā)的讀取線程其實(shí)并不需要使用同步。事實(shí)上只有使數(shù)據(jù)發(fā)生變化的操作才需要同步，我們希望有一種方法可以把讀取和寫入?yún)^(qū)分開來，讀取和寫入的操作之間是互斥的，但是多個(gè)讀取操作可以同時(shí)進(jìn)行，這樣可以有效提高讀取密集型程序的性能。J2SE5.0提供了ReadWriteLock接口并提供了實(shí)現(xiàn)該接口的ReentrantReadWriteLock類：
public interface ReadWriteLock { Lock readLock(); Lock writeLock(); }
從接口方法中不難看出讀寫鎖中包含讀鎖和寫鎖。實(shí)現(xiàn)類ReentrantReadWriteLock為我們提供了更多便捷的方法來使用讀寫鎖，例如isWriteLocked可以用來檢測(cè)是否被寫鎖定。
2 線程通知除了同步鎖，Java Object還有兩個(gè)可用于線程間通知的同步方法wait和notify。調(diào)用對(duì)象wait方法的線程會(huì)被阻塞在該對(duì)象的等待隊(duì)列中直到其他線程調(diào)用notify方法來喚醒它。每次notify調(diào)用只能喚醒一個(gè)在等待隊(duì)列中的線程，notifyAll方法可以喚醒所有在該對(duì)象等待隊(duì)列中的線程。
3 最小化同步線程同步通過讓線程順序進(jìn)入同步代碼塊解決了多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)同一資源而引起的不確定性，但是犧牲了效率，因此為了取得更好地性能，我們需要盡可能少地使用同步。事實(shí)上并不是所有的競(jìng)爭(zhēng)條件都是需要避免的，只有當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)條件出現(xiàn)在非線程安全的代碼段時(shí)才會(huì)引起問題。 3.1 Atomic 變量如果一個(gè)操作是原子操作，例如給一個(gè)boolean 變量賦值，我們就不需要同步。Java提供了一些Atomic類，使得一些本來不是原子操作(例如自增操作 ++，它包含了取值、加1、賦值三個(gè)原子操作)也能夠原子執(zhí)行，從而不需要使用同步。 Java提供了4個(gè)基本的原子類，AtomicInteger, AtomicLong, AtomicBoolean和AtomicReference分別提供針對(duì)int，long，boolean，object的原子操作。有意思的是如果你打開JDK的源代碼想看看這些原子操作是如何實(shí)現(xiàn)的，你會(huì)失望地發(fā)現(xiàn)代碼里面沒有使用任何同步或其它技術(shù)。如果你在自己的程序中寫下同樣地代碼，那么它們并不是原子的。 3.2 Thread Local 變量如果每個(gè)線程都有自己私有的成員變量，那么我們也不需要同步。ThreadLocal就是線程的私有變量，每個(gè)使用ThreadLocal變量的線程都會(huì)有自己獨(dú)立的ThreadLocal對(duì)象，因此就不存在多個(gè)線程訪問同一個(gè)變量的問題。當(dāng)然由于ThreadLocal變量為線程私有，它也就不可以用于在多個(gè)線程間共享狀態(tài)。 ThreadLocal類并不神秘，它的實(shí)現(xiàn)原理比較簡(jiǎn)單：每個(gè)Thread對(duì)象有自己用來存儲(chǔ)私有ThreadLocal對(duì)象的容器ThreadLocalMap，當(dāng)某個(gè)線程調(diào)用ThreadLocal對(duì)象的get()方法來 取值的時(shí)候，get方法首先會(huì)取得當(dāng)前線程對(duì)象，然后取出該線程的ThreadLocalMap，然后檢查自己是否已經(jīng)在map中，如果自己已經(jīng)存在，直接返回map中的value。如果不存在，把自己作key并初始化一個(gè)value加入到當(dāng)前線程的map中。
public T get() { Thread t = Thread.currentThread(); ThreadLocalMap map = getMap(t); if (map != null) { ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); if (e != null) return (T)e.value; } return setInitialValue(); }
4 線程池Thread Pool線程雖然不像進(jìn)程需要那么多資源，但是它的創(chuàng)建也是有一定開銷的，頻繁地創(chuàng)建和銷毀線程會(huì)降低程序的性能；此外應(yīng)用程序可以創(chuàng)建線程的數(shù)量是受機(jī)器物理?xiàng)l件制約的，過多的線程會(huì)耗盡機(jī)器的資源，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)程序的時(shí)候需要限制并發(fā)線程的數(shù)量。解決這兩個(gè)問題的通常做法是使用線程池。線程池在啟動(dòng)的時(shí)候一次性初始化若干個(gè)線程（也可以根據(jù)負(fù)載按需啟動(dòng)，也有閑置一定時(shí)間的線程會(huì)被銷毀的策略），然后程序把任務(wù)交給線程池去執(zhí)行而不是直接交給某個(gè)線程執(zhí)行，由線程池給這些任務(wù)分配線程。當(dāng)某個(gè)線程執(zhí)行完一個(gè)任務(wù)后，線程池會(huì)把它設(shè)成空閑狀態(tài)以備下一個(gè)任務(wù)重用而不是銷毀它。線程池在初始化的時(shí)候需要指定線程數(shù)量上限，當(dāng)并發(fā)任務(wù)數(shù)量超過線程數(shù)量的時(shí)候，線程池不會(huì)再創(chuàng)建新的線程而是讓新任務(wù)等待，這樣我們就不在需要擔(dān)心線程數(shù)量過多耗盡系統(tǒng)資源了。JDK1.5開始為我們提供了標(biāo)準(zhǔn)的線程池。 4.1 執(zhí)行器ExecutorJava的線程池實(shí)現(xiàn)了以下Executor接口：
public interface Executor { void execute(Runnable command); }
在多線程編程中，執(zhí)行器是一種常用的設(shè)計(jì)模式，它的好處在于提供了一種簡(jiǎn)單有效的編程模型，我們只需把需要并發(fā)處理的工作拆分成獨(dú)立的任務(wù)，然后交給執(zhí)行器去執(zhí)行即可而不必關(guān)心線程的創(chuàng)建，分配和調(diào)度。J2SE5.0主要提供了兩種功能的執(zhí)行器：ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor。ThreadPoolExecutor是基本的線程池實(shí)現(xiàn)，ScheduledThreadPoolExecutor在前者基礎(chǔ)上增加了任務(wù)調(diào)度的功能，在把任務(wù)交給它時(shí)我們可以指定任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，而不是立刻執(zhí)行。 java.util.concurrent.Executors是用來創(chuàng)建線程池的工廠類，通過它提供的工廠方法，我們可以方便地創(chuàng)建不同特性的線程池。 4.2 Future接口Executor接口并沒有看起來那么理想，有時(shí)候我們執(zhí)行一個(gè)任務(wù)是要得到計(jì)算的結(jié)果，有時(shí)候我們需要對(duì)任務(wù)有更多控制，例如知道它是否完成，或者中途終止它。返回void的execute方法并不能滿足我們這些需求。當(dāng)然我們可以在傳入的Runnable類上下功夫來提供類似的功能，但是這樣做繁瑣且容易出錯(cuò)。既然J2SE為我們提供了線程池的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)把我們從多線程編程中解放出來，這些常見的需求當(dāng)然也會(huì)很好地滿足。事實(shí)上線程池實(shí)現(xiàn)了一個(gè)更為豐富的ExecutorService接口，它定義了執(zhí)行任務(wù)并返回代表該任務(wù)的Future對(duì)象的submit方法。 通過Future接口，我們可以查看已經(jīng)被提交給線程池執(zhí)行的任務(wù)是否完成，獲取執(zhí)行的結(jié)果或者終止任務(wù)。 4.3 Runnable 和Callable 接口實(shí)現(xiàn)了Runnable或Callable接口的類都可以作為任務(wù)提交給線程池執(zhí)行，這兩個(gè)接口的主要區(qū)別在于Callable的call方法有結(jié)果返回并且可以拋出異常而Runnable的run方法返回void且不允許有可檢查的異常拋出（只能拋runtime exception）。因此如果我們的任務(wù)執(zhí)行后有結(jié)果返回，應(yīng)該使用Callable接口。
5 線程和集合類5.1 線程安全的集合類
5.2 非線程安全集合類
這些非線程安全的集合可以通過java.util.Collections.SynchronizedList、SynchronizedMap、SynchronizedSet等方法包裝成線程安全的集合。包裝器類簡(jiǎn)單地給被包裝集合的各項(xiàng)操作加上了synchronized保護(hù)。值得注意的是在使用游標(biāo)遍歷這些包裝器集合的時(shí)候必須加上額外的synchronized保護(hù)，否則會(huì)出現(xiàn)問題。 List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList()); ... synchronized(list) { Iterator i = list.iterator(); // Must be in synchronized block while (i.hasNext()) foo(i.next()); } 5.3 線程通知集合類
這些集合類都實(shí)現(xiàn)了BlockingQueue接口。阻塞隊(duì)列的特點(diǎn)是當(dāng)從隊(duì)列中取出元素時(shí)如果隊(duì)列為空，線程會(huì)被阻塞直到隊(duì)列中有元素被插入。當(dāng)從隊(duì)列中插入元素時(shí)如果隊(duì)列已滿，線程會(huì)被阻塞直到隊(duì)列中有元素被取出出現(xiàn)空閑空間。阻塞隊(duì)列可以用來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者模式(Producer/Consumer Pattern) 。 |
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