线程并发安全问题认知强化
导致线程不安全的因素有哪些?
如何保证并发线程的安全性?
如何理解JAVA中的悲观锁和乐观锁?
如何理解线程的上下文切换?
如何理解死锁以及避免死锁问题?
线程通讯与进程通讯应用增强
如何实现进程内部线程之间的通讯?
基于Condition实现
如何实现进程之间间通讯(IPC)?
总结(Summary)
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进程:操作系统进行资源调度和分配的基本单位(例如浏览器,APP,JVM)。
线程:进程中的最小执行单位(可以理解为一个顺序的执行流)。
说明:同一个进程内的多个线程共享资源。
并发:多线程抢占CPU,可能不同时执行,侧重于多个任务交替执行。
现在的操作系统无论是windows,linux还是macOS等其实都是多用户多任务分时操作系统,使用这些操作系统的的用户可以“同时”干多件事情。但实际上,对于单机CPU的计算机而言,在同一时间只能干一件事,为了看起来像是“同时干多件事”分时操作系统把CPU的时间划分成了长短进本相同的时间区间,即“时间片”,通过操作系统的管理,把时间片依次轮流的分配给各个线程任务使用。我们看似的“同时干多件事”,其实是通过CPU时间片技术并发完成的。例如:多个线程并发使用一个CPU资源并发执行任务的线程时序图。
并行:线程可以不共享CPU,可每个线程一个CPU同时执行多个任务。
总之:个人认为并行只出现在多CPU或多核CPU中,而并发可理解为并行中的一个子集。
一个线程从创建,运行,到最后销毁的这个过程称之为线程的生命周期,在这个生命周期过程中线程可能会经历如下几个状态:
这些状态可归纳为:状态分别为新建状态,就绪状态,运行状态,阻塞状态,死亡状态。
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多个线程并发执行时,仍旧能够保证数据的正确性,这种现象称之为线程安全。
多个线程并发执行时,不能能够保证数据的正确性,这种现象称之为线程不安全。
案例分享:如何保证12306中的订票操作的安全。
第一步:编写售票任务类:
class TicketTask implements Runnable{
int ticket=10;
@Override
public void run() {
doTicket();
}
public void doTicket() {
while(true) {
if(ticket<=0)break;
System.out.println(ticket–);
}
}
}
第二步:编写售票测试方法:
public static void main(String[] args) {
TicketTask task=new TicketTask();
Thread t1=new Thread(task);
Thread t2=new Thread(task);
Thread t3=new Thread(task);
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
多个线程并发执行。
多个线程并发执行时存在共享数据集(临界资源)。
多个线程在共享数据集上的操作不是原子操作。
例如:现有一生产者消费者模型,生产者和消费者并发操作容器对象。
第一;对共享进行限制访问(例如加锁:syncronized,Lock)
第二:基于CAS实现非阻塞同步(基于CPU硬件技术支持)
第三:取消共享,每个线程一个对象实例(例如threadlocal)
说明:Java中的线程安全问题的主要关注点有3个:可见性,有序性,原子性;
Java内存模型(JMM)解决了可见性和有序性问题,而解决了原子性问题。
JAVA中为了保证多线程并发访问的安全性,提供了基于锁的应用,大体可归纳为两大类,即悲观锁和乐观锁。
悲观锁&乐观锁定义说明:
1)悲观锁:假定会发生并发冲突,屏蔽一切可违反数据完整性的操作,例如java中可以基于syncronized,Lock,ReadWriteLock等实现。
悲观锁&乐观锁应用场景说明:
1)悲观锁适合写操作多的场景,先加锁可以保证写操作时数据正确。
2)乐观锁适合读操作多的场景,不加锁的特点能够使其读操作的性能大幅提升
悲观锁&乐观锁应用案例分析
悲观锁实现计数器:
方案1:
class Counter{
private int count;
public synchronized int count() {
count++;
return count;
}
}
方案2:
class Counter{
private int count;
private Lock lock=new ReentrantLock();
public int count() {
lock.lock();
try {
count++;
return count;
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
乐观锁实现计数器:
class Counter{
private AtomicInteger at=new AtomicInteger();
public int count() {
return at.incrementAndGet();
}
}
其中 AtomicInteger 是基于CAS算法实现。
一个线程得到CPU执行的时间是有限的。当此线程用完为其分配的CPU时间以后,cpu会切换到下一个线程执行。但是在这之前,线程需要将当前的状态进行保存,以便下次再次获得CPU时间片时可以加载对应的状态以继续执行剩下的任务。而这个切换过程是需要耗费时间的,会影响多线程程序的执行效率,所以在在使用多线程时要减少线程的频繁切换。那如何实现呢?
减少多线程上下文切换的方案如下:
无锁并发编程:锁的竞争会带来线程上下文的切换
CAS算法:CAS算法在数据更新方面,可以达到锁的效果
使用最少线程:避免不必要的线程等待
使用协程:单线程完成多任务的调度和切换,避免多线程
多个线程互相等待已经被对方线程正在占用的锁,导致陷入彼此等待对方释放锁的状态,这个过程称之为死锁。
如何避免死锁呢?
避免一个线程中同时获取多个锁
避免一个线程在一个锁中获取其他的锁资源
考虑使用定时锁来替换内部锁机制,如lock.tryLock(timeout)。
可能出现死锁的案例分享
class SyncThread implements Runnable {
private Object obj1;
private Object obj2;
public SyncThread(Object o1, Object o2) {
this.obj1 = o1;
this.obj2 = o2;
}
@Override
public void run() {
synchronized (obj1) {
work();
synchronized (obj2) {
work();
}
}
}
private void work() {
try {Thread.sleep(30000);} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
死锁测试
public class TestDeadLock01 {
public static void main(String[] args)throws Exception {
Object obj1 = new Object();
Object obj2 = new Object();
Thread t1 = new Thread(new SyncThread(obj1, obj2), “t1”);
Thread t2 = new Thread(new SyncThread(obj2, obj1), “t2”);
t1.start();
t2.start();
}
}
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线程通讯:java中的多线程通讯主要是共享内存(变量)等方式。
进程通讯:java中进程通讯(IPC)主要是Socket,MQ等。
wait()/notify()/notifyall()方法定义说明:
Wait:阻塞正在使用监视器对象的线程,同时释放监视器对象
notify: 唤醒在监视器对象上等待的单个线程,但不释放监视器对象,此时调用该方法的代码继续执行,直到执行结束才释放对象锁
notifyAll: 唤醒在监视器对象上等待的所有线程,但不释放监视器对象,此时调用该方法的代码继续执行,直到执行结束才释放对象锁
wait()/notify()/notifyall()方法应用说明
1) 这些方法必须应用在同步代码块或同步方法中
2) 这些方法必须由监视器对象(对象锁)调用
说明:使用wait/notify/notifyAll的作用一般是为了避免轮询带来的性能损失。
wait()/notify()/notifyall()应用案例实现:
手动实现阻塞式队列,并基于wait()/notifyAll()方法实现实现线程在队列上的通讯。
/**
有界消息队列:用于存取消息
1)数据结构:数组(线性结构)
2)具体算法:FIFO(先进先出)-First in First out
*/
public class BlockContainer {//类泛型
/*用于存储数据的数组/
private Object[] array;
/*记录有效元素个数/
private int size;
public BlockContainer () {
this(16);//this(参数列表)表示调用本类指定参数的构造函数
}
public BlockContainer (int cap) {
array=new Object[cap];//每个元素默认值为null
}
}
向容器添加put方法,用于放数据。
/**
生产者线程通过put方法向容器放数据
数据永远放在size位置
说明:实例方法内部的this永远指向
调用此方法的当前对象(当前实例)
注意:静态方法中没有this,this只能
应用在实例方法,构造方法,实例代码块中
*/
public synchronized void put(T t){//同步锁:this
//1.判定容器是否已满,满了则等待
while(size==array.length)
try{this.wait();}catch(Exception e){}
//2.放数据
array[size]=t;
//3.有效元素个数加1
size++;
//4.通知消费者取数据
this.notifyAll();
}
向容器类添加take方法,用于从容器取数据。
/**
消费者通过此方法取数据
位置:永远取下标为0的位置的数据
@return
*/
@SuppressWarnings(“unchecked”)
public synchronized T take(){
//1.判定容器是否为空,空则等待
while(size==0)
try{this.wait();}catch(Exception e){}
//2.取数据
Object obj=array[0];
//3.移动元素
System.arraycopy(
array,//src 原数组
1, //srcPos 从哪个位置开始拷贝
array, //dest 放到哪个数组
0, //destPost 从哪个位置开始放
size-1);//拷贝几个
//4.有效元素个数减1
size–;
//5.将size位置为null
array[size]=null;
//6.通知生产者放数据
this.notifyAll();//通知具备相同锁对象正在wait线程
return (T)obj;
}
Condition 类定义说明
Condition 是一个用于多线程间协同的工具类,基于此类可以方便的对持有锁的线程进行阻塞或唤醒阻塞的线程。它的强大之处在于它可以为多个线程间建立不同的Condition,通过signal()/signalall()方法指定要唤醒的不同线程。
Condition 类应用说明
基于Lock对象获取Condition对象
基于Condition对象的await()/signal()/signalall()方法实现线程阻塞或唤醒。
Condition类对象的应用案例实现:
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