多线程（49）定义无锁、阻塞、非阻塞和无等待算法

小咪咪 2024-04-24 23:15 55阅读 0赞

在并发编程中，理解不同的同步策略——无锁（Lock-Free）、阻塞（Blocking）、非阻塞（Non-Blocking）、无等待（Wait-Free）——对于设计高效、健壮的多线程应用至关重要。让我们更深入地探讨每种方法，并通过示例代码加以阐释。

#### 阻塞（Blocking）算法 ####

在阻塞算法中，线程尝试获取一个不可用的资源时会被挂起（即进入阻塞状态），直到资源变为可用。阻塞同步是最简单的同步机制，但可能导致性能问题，因为线程在等待资源时无法执行任何操作。

**Java 示例：使用`synchronized`关键字**

public class BlockingCounter {
        
        private int count = 0;
    
        public synchronized void increment() {
        
            count++; // 当前线程持有对象锁时，其他线程将被阻塞
        }
    
        public synchronized int getCount() {
        
            return count;
        }
    }

#### 非阻塞（Non-Blocking）算法 ####

非阻塞算法确保线程在访问共享资源时不会被挂起。如果资源不可用，线程可以决定执行其他操作，比如重试操作或回退。这种方法提高了系统的整体响应性和吞吐量。

#### 无锁（Lock-Free）算法 ####

无锁算法是非阻塞同步策略的一种，它确保至少有一个线程能在有限的步骤中完成其操作，从而在全局上避免了死锁。无锁同步通常依赖于原子操作，如CAS（Compare-And-Swap）。

**Java 示例：使用`AtomicInteger`**

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
    
    public class LockFreeCounter {
        
        private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    
        public void increment() {
        
            int oldValue;
            do {
        
                oldValue = count.get(); // 读取当前值
            } while (!count.compareAndSet(oldValue, oldValue + 1)); // CAS操作
            // 循环，直到成功为止
        }
    
        public int getCount() {
        
            return count.get();
        }
    }

#### 无等待（Wait-Free）算法 ####

无等待算法是一种特殊类型的非阻塞同步，它保证所有线程都能在有限的步骤中完成其操作，从而为每个线程提供了最强的进度保障。实现无等待算法非常复杂，通常需要精心设计的数据结构。

**理论示例：**

无等待算法的实现通常是针对特定问题和数据结构进行的，且往往比较复杂。例如，一个无等待的队列可能需要复杂的链表结构，其中每个操作都精确地协调，以确保所有线程都能无阻塞地进行。由于其复杂性，这里不提供具体的代码示例，但在实践中，Java的`java.util.concurrent`包提供了一些无等待或最小化锁使用的数据结构，如`ConcurrentHashMap`。

#### 比较和对比 ####

*  **阻塞**算法简单，易于理解和实现，但在高并发场景下性能可能不佳。
 *  **非阻塞**算法提高了系统的响应性和吞吐量，适用于高并发场景。
 *  **无锁**算法进一步提升了性能，通过避免使用传统锁机制来减少线程间的竞争。
 *  **无等待**算法为每个线程提供了最强的进度保证，但实现难度大，适用性有限。

选择适当的并发策略需要仔细考虑应用的具体需求、并发级别以及性能目标。在实践中，可能需要在不同策略之间进行权衡，以达到最优的结果。