操作系统(第六节) --- 关于线程的同步与死锁问题

 有这样一个场景, 商场发布了 10 张优惠券供消费者抢购, 因为抖音等自媒体的加持, 当天一共有二十个人等点进行抢购, 因为网络延迟原因, 系统并没有及时的减少优惠券的数量, 这就导致二十名消费者都抢到了优惠券, 致使优惠卷的数量成为了负数; 这就是不同步导致的问题.
 不同步也就是多个线程并发执行, 处理速度非常快, 但是问题也会相应的出现; 那么将上述问题进行同步处理, 也就是说所有的线程不是一起进入到方法中执行, 而是按照顺序一个一个的进入, 那么就解决了上面的问题.
 操作系统中一个比较重要的概念就是关于多线程环境下的同步与死锁问题, 出现这种问题的核心在于每一个线程对象轮番对资源的抢占导致.

1 synchronized 处理同步问题

  上面场景的问题我们用代码的形式模拟一下, 这里为了方便共发放三张优惠券, 供五名消费者进行抢购, 代码如下:

class MyThread implements Runnable {
    private int coupun = 3;
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < coupun; i++) {
            if (coupun > 0) {
                try {
                    // 模拟网络延迟
                    Thread.sleep(200);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ", 剩余优惠券数量为 " + coupun-- + "张");
            }
        }
    }
}
public class testDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread thread = new MyThread();
        new Thread(thread,"消费者1").start();
        new Thread(thread,"消费者2").start();
        new Thread(thread,"消费者3").start();
        new Thread(thread,"消费者4").start();
        new Thread(thread,"消费者5").start();
    }
}

运行结果:

要想解决上面这样的问题, 可以使用 synchronized 进行处理, 关于 synchronized 关键字的处理主要有两种模式: 同步代码块 / 同步方法.

1.1 同步代码块解决同步问题

  使用同步代码块解决此问题的关键在于要设置一个要锁定的对象, 也就是在方法里进行拦截, 这里就可以将当前的对象 this 当做要锁定的对象, 如下:


通过运行结果可以看得出, 虽然没有出现负数, 但是进入到方法中的线程仍然可能是多个.

1.2 同步方法解决同步问题

使用同步方法可以保证数据的完整性, 但是执行的速度会比较慢.

注意:
实际上 synchronized 锁住的是括号里的对象, 并不是代码, 也就是说只能防止多个线程同时执行同一个对象的同步代码段. 当 synchronized 锁住一个对象后, 别的线程如果也想拿到这个对象的锁, 就必须等待这个线程执行完成并释放锁, 才能再次给对象加锁, 这样才能达到线程同步的目的. 即使两个不同的代码段锁同一个对象, 那么这两个代码段也不能在多线程环境下同时运行.

2 synchronized 实现原理

  关于 synchronized 的底层实现重点在 monitorenter 和 monitorexit 两个指令; 执行同步代码首先要执行 monitorenter 指令, 退出的时候执行 monitorexit 指令; 其实使用 synchronized 进行同步其关键就是必须要对对象的监视器 monitor 进行获取, 当线程获取 monitor 后才能继续往下执行, 都则就只能等待; 并且这个获取过程是互斥的, 也就是说同一时刻只有一个线程能够获取到 monitor.
  当用 synchronized 标记方法时, Java 虚拟机需要进行 monitorenter 操作, 而在退出该方法时, 不管是正常返回还是向调用者抛出异常, Java 虚拟机均需要进行 monitorexit 操作. 关于 monitorenter 和 monitorexit 的操作可以理解成每个锁对象拥有一个锁计数器和一个指向持有该锁的线程的指针. 主要操作如下:

• 执行 monitorenter 时, 如果目标锁对象的计数器为 0, 说明没有被其它线程所持有, 这是 Java 虚拟机会将该锁对象的持有线程设置为当前线程, 将计数器 + 1;
• 如果目标锁对象的计数器不为 0, 如果锁对象持有的线程是当前线程, 则 Java 虚拟机可以将其计数器 + 1, 否则需要等待, 直到持有线程释放锁;
• 当执行 monitorexit 时, Java 虚拟机则需要将锁对象的计数器 - 1, 当计数器为 0 时, 则代表该锁已经被释放掉了.

3 synchronized 的优化

  关于 synchronized 的优化着重点主要放在 CAS 操作 和 Java 对象头上面, 总结如下图所示:

4 死锁

  同步的本质在于一个线程等待另一个县城执行完毕后才可以继续执行, 但是如果有多个线程彼此都在等待着 , 就会造成死锁; 一旦出现死锁, 整个程序都将会中断执行, 会出现非常严重的问题; 当然过多的同步会造成死锁, 因此对资源的上锁要避免不要形成一个环.

死锁产生的条件:

• 互斥条件: 一个资源不能同时被两个或两个以上的进程所拥有;
• 不剥夺条件: 一个进程未结束前, 任何进程都不能得到该进程的资源;
• 持有并等待条件: 进程每次申请一部分的资源后, 再等待申请其它的资源, 这个时间段不会释放已经拥有的资源;
• 环路条件.

解决办法就是要破坏掉上面的这四种情况, 著名的解决死锁的算法 --> 银行家算法.