软件构造学习笔记-第十四周、十五周

课程进入了尾声。本周内容主要是线程安全相关。线程错误比一般的错误更加难以发现和修改，甚至加入一条print语句就能改变时间分片，从而导致错误消失。重点介绍了“锁”的机制，在使用时避免对整个方法进行lock，而是对可能发生线程不安全的指令进行lock操作，以免程序性能受到明显影响。同时避免“死锁”现象发生，在使用多个lock时注意顺序。

并发

1.并行：将程序布置在多个CPU上执行。
并发：将任务拆分为多个阶段，在同一个CPU上执行（切片）。

2.并发的两个模型：共享内存（只能用于线程）和消息传递（线程、进程）。

进程和线程

1.进程和线程都是并发模块的类型。进程比较“重量级”，私有空间，彼此隔离；线程“轻量级”，是程序内部的控制机制。一个进程可以形成多个线程。
2.每个应用至少有一个线程，主线程可以创建其它的线程。
3.创建线程的方法：继承Thread；从Runnable接口构造Thread对象。

创建线程需要调用Thread类的start方法，不能运行具体的run方法

交错（Interleaving）和竞争

1.时间分片：虽然有多个线程，但只有一个CPU，每个时刻只能执行一个线程。通过时间分片在多个进程/线程间共享处理器。由操作系统自动调度。
2.共享内存时的竞争情况
不恰当的分片操作会导致错误。右侧A和B发生了竞争/线程干扰。

共享内存多线程的运行结果实例，每条语句可划分为读取-计算-写回三个原子操作

3.消息传递时的竞争情况
由于时间分片，消息传递机制也无法解决竞争问题。
4.调用方法主动影响交错现象
①Thread.sleep(time) 线程休眠time毫秒
②Thread.interrupt() 向线程发出中断信号，例如t.interrupt()，即在其它线程里向t发出中断信号。收到中断信号后t不一定中断，由t本身决定。正常运行期间，即使收到中断信号也不会理会；在休眠时收到中断信号则抛出异常。

③Thread.join() 让线程保持执行，直到其执行结束。执行该操作时，也会检测其它线程发来的中断信号。

t1收到中断信号时，如果一次循环都未执行，则先输入if再输出else；如果执行一次，则先输出else再输出if；如果已经进行两次循环则输出两个else。此外t1和t2的start执行先后不定。

保证线程安全的策略

1.Confinement
要求类中方法不能访问属性（过于严格）。
2.Immutability
使用不可变数据类型和不可变引用，避免多个线程之间的竞争。如果是有益可变性，则需要通过“加锁”保证线程安全。
3.使用线程安全数据类型
如果必须使用mutable数据类型在多个线程之间共享数据，要使用线程安全的数据类型。一般来说JDK为ADT额外提供一个线程安全的类，但性能受影响。List、Map、Set都是线程不安全的，API提供集合类的包装，对每个操作都以原子操作进行。执行其上的某个操作是线程安全的，但如果多个操作放在一起，仍然不安全。//即使在线程安全的集合类上，使用iterator也是不安全的。除非使用lock机制。

4.锁和同步

①程序员负责多线程之间对mutable数据的共享操作，通过同步策略避免多个线程同时访问数据。使用锁机制，获得对数据的独家更改权，其它线程的访问被阻塞。
②Lock是Java的内嵌机制，每个对象都有相关联的lock。

③Lock用以保护共享数据。要实现互斥，则必须使用同一个lock进行保护。
④构造方法默认互斥，不需加锁。除非必要，否则不加锁；如果使用，要尽量缩小范围。因为会给性能带来极大影响。
⑤对静态方法进行加锁，会同时锁住类的所有对象。
⑥1和4正确。A获得了list的锁并不意味着其它对象不能获取/改变list的元素。对同一个mutable对象的操作，必须在各线程里用synchronized全部保护起来。对于该例子即是将B的两条语句锁住。
⑦3和4需要锁住。
⑧使用lock的条件：任何共享的mutable变量/对象在被读/写的时候必须加锁。涉及到多个mutable变量的时候，它们必须被同一个lock保护（例如开始和结束时间）。

死锁

1.多个线程竞争lock，相互等待对方释放lock（必须满足多个线程使用多个锁、访问顺序不同）。
2.避免方法：多个线程使用同一顺序的lock；用单个lock保护多个对象（粗粒度）。

wait(), notify(), notifyAll()

都是object类的方法。需要在synchronized块中调用，要求调用对象和lock的对象相同。

o.wait(): 释放o的锁（阻塞当前线程），进入到o的等待队列中。
o.notify(): 唤醒等待队列的一个线程。
o.notifyAll(): 唤醒等待队列的所有线程。