java并发的处理方式

待我称王封你为后i 2022-07-13 12:21 72阅读 0赞

## 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
    
        public class Test{
            public synchronized void print(){
                ....;
            } 
        }
    
    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
    
        public class Test{
            public void print(){
                synchronized(this){//锁住本对象
                    ...;
                }
            }
        }
    
    同用法1, 但更能体现synchronized用法的本质。
3.  用法3
    
        public class Test{
            private String a = "test";
            public void print(){
                synchronized(a){//锁住a对象
                    ...;
                }
            }
            public synchronized void t(){
                ...; //这个同步代码块不会因为print()而锁定.
            }
        }
    
    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：
    
        public class Test{
            private byte[] lock = new byte[0];
            public void print(){
                synchronized(lock){
                    ...;
                }
            }
            public synchronized void t(){
                ...; 
            }
        }
4.  静态方法的锁
    
        public class Test{
            public synchronized static void execute(){
                ...;
            }
        }
    
    效果同
    
        public class Test{
            public static void execute(){
                synchronized(TestThread.class){
                    ...;
                }
            }
        }

## 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:

public class MyStack {
        int idx = 0;
        char [] data = new char[6];
    
        public synchronized void push(char c) {
            data[idx] = c;
            idx++;
        }
    
        public synchronized char pop() {
            idx--;
            return data[idx];
        }
    
        public static void main(String args[]){
            MyStack m = new MyStack();
            /**
               下面对象m被加锁。严格的说是对象m的所有synchronized块被加锁。
               如果存在另一个试图访问m的线程T，那么T无法执行m对象的push和
               pop方法。
            */
            m.pop();//对象m被加锁。
        }
    }

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：

MyStatck m1 = new MyStack();
    MyStatck m2 = new Mystatck();
    m1.pop();
    m2.pop();

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][Link 1]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][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：

public synchronized char pop() {
        char c;
        while (buffer.size() == 0) {
            try {
                this.wait(); //从厕位里出来
            } catch (InterruptedException e) {
                // ignore it...
            }
        }
        c = ((Character)buffer.remove(buffer.size()-1)).
            charValue();
        return c;
    }
    
    public synchronized void push(char c) {
        this.notify(); //通知那些wait()的线程重新排队。注意：仅仅是通知它们重新排队。
        Character charObj = new Character(c);
        buffer.addElement(charObj);
    }//执行完毕，释放锁。那些排队的线程就可以进来了。

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？

1. 有一个wait的人（线程）被通知到。
    2. 为什么被通知到的是他而不是另外一个wait的人？取决于JVM.我们无法预先
       判断出哪一个会被通知到。也就是说，优先级高的不一定被优先唤醒，等待
       时间长的也不一定被优先唤醒，一切不可预知！(当然，如果你了解该JVM的
       实现，则可以预知）。
    3. 他（被通知到的线程）要重新排队。
    4. 他会排在队伍的第一个位置吗？回答是：不一定。他会排最后吗？也不一定。
       但如果该线程优先级设的比较高，那么他排在前面的概率就比较大。
    5. 轮到他重新进入厕位时，他会从上次wait()的地方接着执行，不会重新执行。
       恶心点说就是，他会接着拉巴巴，不会重新拉。
    6. 如果师傅notifyAll(). 则那一堆半途而废出来的人全部重新排队。顺序不可知。

[Java ][Java 1]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：

class BoundedBuffer {
        final Lock lock = new ReentrantLock();
        final Condition notFull  = lock.newCondition(); 
        final Condition notEmpty = lock.newCondition(); 
    
        final Object[] items = new Object[100];
        int putptr, takeptr, count;
    
        public void put(Object x) throws InterruptedException {
            lock.lock();
            try {
                while (count == items.length) 
                    notFull.await();
                items[putptr] = x; 
                if (++putptr == items.length) putptr = 0;
                ++count;
                notEmpty.signal();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    
        public Object take() throws InterruptedException {
            lock.lock();
            try {
                while (count == 0) 
                    notEmpty.await();
                Object x = items[takeptr]; 
                if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;
                --count;
                notFull.signal();
                return x;
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        } 
    }

(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：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em">Lock</td> 
   <td style="font-size:1em">await</td> 
   <td style="font-size:1em">signal</td> 
   <td style="font-size:1em">signalAll</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em">synchronized</td> 
   <td style="font-size:1em">wait</td> 
   <td style="font-size:1em">notify</td> 
   <td style="font-size:1em">notifyAll</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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][http_hi.baidu.com_ecspell_blog_item_7b02d3133ab555005aaf53f5.html]
    
        package io;
        import java.io.*;
        public class PipedStreamTest {
            public static void main(String[] args) {
                PipedOutputStream ops=new PipedOutputStream();
                PipedInputStream pis=new PipedInputStream();
                try{
                    ops.connect(pis);//实现管道连接
                    new Producer(ops).run();
                    new Consumer(pis).run();
                }catch(Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
        
            }
        }
        
        //生产者
        class Producer implements Runnable{
            private PipedOutputStream ops;
            public Producer(PipedOutputStream ops)
            {
                this.ops=ops;
            }
        
            public void run()
            {
                try{
                    ops.write("hell,spell".getBytes());
                    ops.close();
                }catch(Exception e)
                    {e.printStackTrace();}
            }
        }
        
        //消费者
        class Consumer implements Runnable{
            private PipedInputStream pis;
            public Consumer(PipedInputStream pis)
            {
                this.pis=pis;
            }
        
            public void run()
            {
                try{
                    byte[] bu=new byte[100];
                    int len=pis.read(bu);
                    System.out.println(new String(bu,0,len));
                    pis.close();
                }catch(Exception e)
                    {e.printStackTrace();}
            }
        }
2.  例2 对上面的程序做少许改动就成了两个线程。
    
        package io;
        import java.io.*;
        public class PipedStreamTest {
            public static void main(String[] args) {
                PipedOutputStream ops=new PipedOutputStream();
                PipedInputStream pis=new PipedInputStream();
                try{
                    ops.connect(pis);//实现管道连接
                    Producer p = new Producer(ops);
                    new Thread(p).start();
                    Consumer c = new Consumer(pis);
                    new Thread(c).start();
                }catch(Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
        
            }
        }
        
        //生产者
        class Producer implements Runnable{
            private PipedOutputStream ops;
            public Producer(PipedOutputStream ops)
            {
                this.ops=ops;
            }
        
            public void run()
            {
                try{
                    for(;;){
                        ops.write("hell,spell".getBytes());
                        ops.close();
                    }
                }catch(Exception e)
                    {e.printStackTrace();}
            }
        }
        
        //消费者
        class Consumer implements Runnable{
            private PipedInputStream pis;
            public Consumer(PipedInputStream pis)
            {
                this.pis=pis;
            }
        
            public void run()
            {
                try{
                    for(;;){
                        byte[] bu=new byte[100];
                        int len=pis.read(bu);
                        System.out.println(new String(bu,0,len));
                    }
                    pis.close();
                }catch(Exception e)
                    {e.printStackTrace();}
            }
        }
3.  例3. 这个例子更加贴进应用
    
        import java.io.*;
               
        public class PipedIO { //程序运行后将sendFile文件的内容拷贝到receiverFile文件中
            public static void main(String args[]){       
                try{//构造读写的管道流对象       
                    PipedInputStream pis=new PipedInputStream();       
                    PipedOutputStream pos=new PipedOutputStream();       
                    //实现关联       
                    pos.connect(pis);       
                    //构造两个线程，并且启动。           
                    new Sender(pos,"c:\\text2.txt").start();           
                    new Receiver(pis,"c:\\text3.txt").start();         
                }catch(IOException e){       
                    System.out.println("Pipe Error"+ e);       
                }       
            }       
        }       
        //线程发送       
        class Sender extends Thread{           
            PipedOutputStream pos;       
            File file;       
            //构造方法       
            Sender(PipedOutputStream pos, String fileName){       
                this.pos=pos;       
                file=new File(fileName);       
            }          
            //线程运行方法       
            public void run(){          
                try{       
                    //读文件内容       
                    FileInputStream fs=new FileInputStream(file);       
                    int data;       
                    while((data=fs.read())!=-1){       
                        //写入管道始端       
                        pos.write(data);       
                    }       
                    pos.close();                        
                }       
                catch(IOException e) {       
                    System.out.println("Sender Error" +e);       
                }       
            }       
        }
               
        //线程读       
        class Receiver extends Thread{       
            PipedInputStream pis;       
            File file;       
            //构造方法       
            Receiver(PipedInputStream pis, String fileName){         
                this.pis=pis;       
                file=new File(fileName);       
            }          
            //线程运行       
            public void run(){          
                try {       
                    //写文件流对象       
                    FileOutputStream fs=new FileOutputStream(file);       
                    int data;       
                    //从管道末端读       
                    while((data=pis.read())!=-1){
               
                        //写入本地文件       
                        fs.write(data);       
                    }       
                    pis.close();            
                }       
                catch(IOException e){       
                    System.out.println("Receiver Error" +e);       
                }       
            }       
        }

## 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

BlockingQueue<Object> blockingQ = new ArrayBlockingQueue<Object> 10;

一个线程从队列里取

for(;;){
        Object o = blockingQ.take();//队列为空，则等待（阻塞）
    }

另一个线程往队列存

for(;;){
        blockingQ.put(new Object());//队列满，则等待（阻塞）
    }

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：
    
        Executor executor = anExecutor;//生成一个Executor实例。
        executor.execute(new RunnableTask1());
    
    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：
    
        class NetworkService {
            private final ServerSocket serverSocket;
            private final ExecutorService pool;
        
            public NetworkService(int port, int poolSize) throws IOException {
                serverSocket = new ServerSocket(port);
                pool = Executors.newFixedThreadPool(poolSize);
            }
         
            public void serve() {
                try {
                    for (;;) {
                        pool.execute(new Handler(serverSocket.accept()));
                    }
                } catch (IOException ex) {
                    pool.shutdown(); //不再执行新任务
                }
            }
        }
        
        class Handler implements Runnable {
            private final Socket socket;
            Handler(Socket socket) { this.socket = socket; }
            public void run() {
                // read and service request
            }
        }
    
    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
    
        public static void main(String args[])throws Exception {
            ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
            Callable<String> task = new Callable<String>(){
                public String call()throws Exception{
                    return "test";
                }
            };
            Future<String> f = executor.submit(task); 
            String result = f.get();//等待（阻塞）返回结果
            System.out.println(result);
            executor.shutdown();                
        }
    
    Executors.newSingleThreadExecutor()取得的Executor实例有以下特性:
    
    1.  任务顺序执行. 比如：
        
            executor.submit(task1);
            executor.submit(task2);
        
        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。
        
            public static void main(String[] args)throws Exception {
                // TODO Auto-generated method stub
                final int count=10;
                final CountDownLatch completeLatch = new CountDownLatch(count);//定义了门插销的数目是10
                            
                for(int i=0;i<count;i++){
                    Thread thread = new Thread("worker thread"+i){
                            public void run(){
                                //do xxxx                                   
                                completeLatch.countDown();//减少一根门插销
                            }
                        };
                    thread.start();
                }           
                completeLatch.await();//如果门插销还没减完则等待。
            }
        
        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
        
            public static void main(String[] args) throws Exception {
                // TODO Auto-generated method stub
                final CountDownLatch startLatch = new CountDownLatch(1);//定义了一根门插销
            
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    Thread thread = new Thread("worker thread" + i) {
                            public void run() {
                                try {
                                    startLatch.await();//如果门插销还没减完则等待
                                } catch (InterruptedException e) {
            
                                }
                                // do xxxx
                            }
                        };
                    thread.start();
                }
                startLatch.countDown();//减少一根门插销
            }
2.  CycliBarrier. 等所有线程都达到一个起跑线后才能开始继续运行。
    
        public class CycliBarrierTest implements Runnable {
            private CyclicBarrier barrier;
        
            public CycliBarrierTest(CyclicBarrier barrier) {
                this.barrier = barrier;
            }
        
            public void run() {
                //do xxxx;
                try {
                    this.barrier.await();//线程运行至此会检查是否其它线程都到齐了，没到齐就继续等待。到齐了就执行barrier的run函数体里的内容
                } catch (Exception e) {
        
                }
            }
        
            /**
             * @param args
             */
            public static void main(String[] args) {
                //参数2代表两个线程都达到起跑线才开始一起继续往下执行
                CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(2, new Runnable() {
                        public void run() {
                            //do xxxx;
                        }
                    });
                Thread t1 = new Thread(new CycliBarrierTest(barrier));         
                Thread t2 = new Thread(new CycliBarrierTest(barrier));
                t1.start();
                t2.start();
            }
        
        }
    
    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。

[Java]: http://lib.csdn.net/base/javase
[Link 1]: http://lib.csdn.net/base/mysql
[http_hi.baidu.com_dapplehou_blog_item_b341a97744fe6616b151b9a3.html]: http://hi.baidu.com/dapplehou/blog/item/b341a97744fe6616b151b9a3.html
[Java 1]: http://lib.csdn.net/base/java
[http_hi.baidu.com_ecspell_blog_item_7b02d3133ab555005aaf53f5.html]: http://hi.baidu.com/ecspell/blog/item/7b02d3133ab555005aaf53f5.html
[Linux]: http://lib.csdn.net/base/linux