java 并发编程

用装饰者模式来分析IO系统,把那一大堆分成资源流和过滤器流之后,整个IO系统就简单明了的多了。把java的网络编程分成底层的Socket编程和高层的URL编程之后,又有豁然开朗的感觉。那么多线程的:命令模式!首先分清楚执行器和任务这两个概念。

Thread,Executor,ExecutorService等属于执行器,而Runnable,Callable,FutureTask属于任务。程序运行时需要创建一个执行器,若干任务,任务依附在执行器上,由执行器启动执行并控制任务。至于ThreadFactory和UnCaughtExceptionHandler是指定执行的方式以及抛出异常时的处理,可以分别学习。值得一提的是一个重要的类是Future,它可以实现线程有返回值。返回的结果就放在Future里面,随时可以用get()来检查执行结果。还可以用cancel()来对线程执行interrupt(),功能十分强大。

二. 多线程的底层协调机制

编写多线程程序最重要的一个问题是对共享资源(或者叫共享,可变的状态)的访问,访问共享资源也是线程间相互通信的简单方法。而多个线程一起访问共享资源,就要注意线程安全。编写线程安全的代码,本质上是管理对状态的访问,而且通常是共享的,可变的状态.所谓共享,是指一个变量可以被多个线程访问;所谓可变,是指变量在生命周期内可以给便。我们讨论的线程安全好像是关于代码的,但真正要做的,是在不可控制的并发访问中保护数据。

Java提供底层的协调机制,以控制对共享资源的访问。这里的协调,包括竞争,合作和通信。

竞争是通过锁来实现的,在访问资源之前要先取得锁,如果锁正被其他线程占有,那么本线程就会阻塞,直到取得锁。具体的实现方式有两种:

synchronized关键字。Synchronized的语义是想要执行被包围的代码块或方法,必须先取得它声明的那个对象锁。如果不能取得,线程到这里就阻塞,直到取得对象锁。至于这样做是否能够真正保护了共享资源的访问,synchronized关键字是不管的。需要由程序员自己来保证:确保共享资源是私有的,所有访问共享资源的地方都加上了synchronized关键字,而且使用的是同一个对象锁。Synchronized不仅能保证操作的原子性,还可以保证变量的可见性。而volatile仅能保证变量的可见性。(有关原子性和可见性不知道要放哪里,这里先提一下)

2.使用concurrent.lock。使用concurrent.lock不仅能实现synchronized的全部功能,而且能提供更好的性能和更精确的语义。比如,synchronized用的是互斥锁,仅能实现对资源的互斥访问,为concurrent.lock不仅有互斥锁,还有读写锁。把读锁和写锁分开,写锁相当于互斥锁,而读锁是共享的,可以让多线程同时读,以提高性能。

合作:线程之间的合作包括Object.wait/notify

/notifyAll,Thread.interrupt,Condition.await/signal/signalAll。可以在资源未准备好时调用Object.wait()使当前线程进入阻塞,而其他线程在资源准备好时调用notify把所有在Object上阻塞的线程唤醒,进入可执行状态。Condition.await/signal /signalAll是jdk5提供的更加精细控制线程的类,可以组合不同的Condition来实现复杂的控制。

通信:线程之间的通信通过PipedReader / PipedWriter组合成管道对。不同线程的线程可以在上面读写,从而实现通信。程序员可以方便地利用它们来实现“生产者-消费者”模型。

三.多线程的高层协调工具类

用底层的协调机制可以灵活实现各种各样的需求,但这样容易出错,对程序员的要求很高。JDK1.5推出了很多高层的协调工具类,这些类让我们可以不用再用

synchronized或者Lock来控制并发,只要简单实用它提供的容器,同步器等,就可以实现并发访问。主要的类也可以用竞争,合作及通信来划分。主要包括:

1.各种特定用途的容器,方便线程之间的通信。如BlockingQueue,DelayQueue,ConcurrentHashMap,CopyOnWriteArrayList等。

线程安全的基本变量类,在包java.util.concurrent.atomic中提供。

3.各种用途的同步器synchronizer,如CountDownLatch,CyclicBarrier,Semaphore,Exchange。

4.计时。TimeUnit类为指定和控制基于超时的操作提供了多重粒度(包括纳秒级)。以代替简陋的Thread.sleep。

附A:并发编程需要掌握的一些基本概念:

1.摩尔定律:集成电路芯片上所集成的晶体管数量,越每隔18个月便会翻一番。

2.Amdahl定律:对计算机系统的某个部件采用优化措施后所获得的计算机性能的提高,依赖于这部分的执行时间在整个运行时间中所占的比率。

3.竞争条件:多个任务并发访问和操作同一数据且执行结果与访问的特定顺序有关,称为竞争条件。(多个任务竞争响应某个条件,因访问顺序不同产生冲突或不一致的情况)。比如“检查再运行”“惰性初始化”。

4.原子操作:任务在执行过程中不能被打断的一序列操作

5.复合操作:任务在执行过程中可以被打断的一序列操作

6.不变约束:不变式表达了对状态的约束,这些状态是应该符合这个约束的值的组合。不变式可以代表某种业务规则。

7.先验条件:针对方法,规定了在调用方法之前必须为真的条件

8.后验条件:针对方法,规定了在调用方法之后必须为真的条件

  1. 原子性:(见原子操作)

10.可见性:确保线程对变量的写入对其他线程是可见的。即刷新内存中的变量。

附B:参考资料:

  1. Java编程思想 中文版 第四版 by Bruce Eckel

  2. Java并发编程实践 中文版 byBrian Goetz,Doug Lea 等

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