并发编程——共享模型之管程
0). 前言
虽然写代码的大多数时候都没有new Thread()，但是tomcat是多线程的，所以项目上线后，每一个接口都面临着并发问题，所以并发线程还是很重要的，无处不在。
1). 共享问题
用代码就是这么描述的：
import org.junit.jupiter.api.Test;
public class Problem {
static int count = 0;
@Test
public void test() throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for(int i = 0; i < 5000; i++) {
count++;
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
count--;
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(count);
}
}
以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作，要彻底理解，必须从字节码来进行分析。例如对于 i++ 而言（i 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：
getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
iadd // 自增
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i
而对应 i-- 也是类似：
getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
isub // 自减
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i
而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和工作内存中进行数据交换：
如果是单线程以上 8 行代码是顺序执行（不会交错）没有问题：
但多线程下这 8 行代码可能交错运行：
出现负数的情况：
出现正数的情况：
临界区 Critical Section ：
- 一个程序运行多个线程本身是没有问题的
- 问题出在多个线程访问共享资源
- 多个线程读共享资源其实也没有问题
- 在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题
- 一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区
static int counter = 0;
static void increment()
// 临界区
{
counter++;
}
static void decrement()
// 临界区
{
counter--;
}
竞态条件 Race Condition ：多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件
2). synchronized
为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的。
- 阻塞式的解决方案：synchronized，Lock
- 非阻塞式的解决方案：原子变量
这里使用阻塞式的解决方案：synchronized，来解决上述问题，即俗称的【对象锁】，它采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换。
注意，虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：
- 互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码
- 同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点
synchronized语法：
synchronized(对象) // 线程1， 线程2(blocked)
{
临界区
}
使用示例如下：
import org.junit.jupiter.api.Test;
public class Synchronized {
static int counter = 0;
static final Object lock = new Object();
@Test
public void test() throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
synchronized (lock) {
counter++;
}
}
}, "t1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
synchronized (lock) {
counter--;
}
}
}, "t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(counter);
}
}
你可以做这样的类比：
- synchronized(对象) 中的对象，可以想象为一个房间（room），有唯一入口（门）房间只能一次进入一人进行计算，线程 t1，t2 想象成两个人
- 当线程 t1 执行到 synchronized(room) 时就好比 t1 进入了这个房间，并锁住了门拿走了钥匙，在门内执行count++ 代码
- 这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(room) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待，发生了上下文切换，阻塞住了
- 这中间即使 t1 的 cpu 时间片不幸用完，被踢出了门外（不要错误理解为锁住了对象就能一直执行下去哦），这时门还是锁住的，t1 仍拿着钥匙，t2 线程还在阻塞状态进不来，只有下次轮到 t1 自己再次获得时间片时才能开门进入
- 当 t1 执行完 synchronized{} 块内的代码，这时候才会从 obj 房间出来并解开门上的锁，唤醒 t2 线程把钥匙给他。t2 线程这时才可以进入 obj 房间，锁住了门拿上钥匙，执行它的 count-- 代码
用图表示如下：
synchronized 实际是用对象锁保证了临界区内代码的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切换所打断。
上面代码的面向对象的改进：
import org.junit.jupiter.api.Test;
public class Synchronized {
Room room = new Room();
@Test
public void test() throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
room.increment();
}
}, "t1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
room.decrement();
}
}, "t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(room.getCounter());
}
}
class Room {
private int counter = 0;
public void increment() {
synchronized (this) {
counter++;
}
}
public void decrement() {
synchronized (this) {
counter--;
}
}
public int getCounter() {
synchronized (this) {
return counter;
}
}
}
synchronized也可以修饰方法：
class Test{
public synchronized void test() {
}
}
// 等价于
class Test{
public void test() {
synchronized(this) {
}
}
}
class Test{
public synchronized static void test() {
}
}
// 等价于
class Test{
public static void test() {
synchronized(Test.class) {
}
}
}
synchronized关键字最主要有以下3种应用方式，下面分别介绍
- 修饰实例方法，作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁
- 修饰静态方法，作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁
- 修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象的锁。
可以认为，加锁对象本身可以是任何对象，但必须要求互斥双方的锁是同一把锁，即同一个对象。至于原因可以看下文的Monitor
以下是线程八锁，其实就是考察 synchronized 锁住的是哪个对象，可以有利于对锁的认识：
3). 变量线程安全分析
成员变量和静态变量是否线程安全？
- 局部变量是线程安全的
- 但局部变量引用的对象则未必
- 如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
- 如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全
局部变量线程安全分析:
public static void test1() {
int i = 10;
i++;
}
每个线程调用 test1() 方法时局部变量 i，会在每个线程的栈帧内存中被创建多份，因此不存在共享
先看一个成员变量的例子:
class ThreadUnsafe {
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
public void method1(int loopNumber) {
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
// { 临界区, 会产生竞态条件
method2();
method3();
// } 临界区
}
}
private void method2() {
list.add("1");
}
private void method3() {
list.remove(0);
}
}
执行：
static final int THREAD_NUMBER = 2;
static final int LOOP_NUMBER = 200;
public static void main(String[] args) {
ThreadUnsafe test = new ThreadUnsafe();
for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) {
new Thread(() -> {
test.method1(LOOP_NUMBER);
}, "Thread" + i).start();
}
}
其中一种情况是，如果线程2 还未 add，线程1 remove 就会报错。
分析：
- 无论哪个线程中的 method2 引用的都是同一个对象中的 list 成员变量
- method3 与 method2 分析相同
将 list 修改为局部变量就不会有问题了：
class ThreadSafe {
public final void method1(int loopNumber) {
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
method2(list);
method3(list);
}
}
private void method2(ArrayList<String> list) {
list.add("1");
}
private void method3(ArrayList<String> list) {
list.remove(0);
}
}
分析：
- list 是局部变量，每个线程调用时会创建其不同实例，没有共享
- 而 method2 的参数是从 method1 中传递过来的，与 method1 中引用同一个对象
- method3 的参数分析与 method2 相同
方法访问修饰符带来的思考，如果把 method2 和 method3 的方法修改为 public 会不会代理线程安全问题？ - 情况1：有其它线程调用 method2 和 method3
- 情况2：在 情况1 的基础上，为 ThreadSafe 类添加子类，子类覆盖 method2 或 method3 方法，即
class ThreadSafe {
public final void method1(int loopNumber) {
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
method2(list);
method3(list);
}
}
private void method2(ArrayList<String> list) {
list.add("1");
}
private void method3(ArrayList<String> list) {
list.remove(0);
}
}
class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{
@Override
public void method3(ArrayList<String> list) {
new Thread(() -> {
list.remove(0);
}).start();
}
}
常见线程安全类：
- String
- Integer
- StringBuffer
- Random
- Vector
- Hashtable
- java.util.concurrent 包下的类
这里说它们是线程安全的是指，多个线程调用它们同一个实例的某个方法时，是线程安全的。也可以理解为：
Hashtable table = new Hashtable();
new Thread(()->{
table.put("key", "value1");
}).start();
new Thread(()->{
table.put("key", "value2");
}).start();
- 它们的每个方法是原子的
- 但注意它们多个方法的组合不是原子的，见后面分析
以下是线程安全类方法的组合示例，是不安全的：
Hashtable table = new Hashtable();
// 线程1，线程2
if( table.get("key") == null) {
table.put("key", value);
}
不可变类线程安全性：String、Integer 等都是不可变类，因为其内部的状态不可以改变，因此它们的方法都是线程安全的
接下来有7道实例分析，但因为那些实例都建立在servlet请求的基础上，因此在此之前，先需要了解一下Servlet运行时的机制，当然我也概括不好，只能用一些实例去意会：
然后我就写下了这些代码进行测试
可见因为tomcat是多线程，代码运行后，每次请求的时候都会执行一次对应controller方法，而成员变量是共享的
实例分析
例1：
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全？（不安全：HashMap不是线程安全类）
Map<String,Object> map = new HashMap<>();
// 是否安全（安全：不可变类）？
String S1 = "...";
// 是否安全（安全：不可变类）？
final String S2 = "...";
// 是否安全（不安全）？
Date D1 = new Date();
// 是否安全（不安全：final修饰只是引用地址不变，但其属性还是可以变的）？
final Date D2 = new Date();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
// 使用上述变量
}
}
例2：
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全？（不安全）
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
// 记录调用次数
private int count = 0;
public void update() {
// ...
count++;
}
}
例3：
@Aspect
@Component
public class MyAspect {
// 是否安全？（不安全：bean默认singleton作用域，是单例模式，有并发修改问题）
private long start = 0L;
@Before("execution(* *(..))")
public void before() {
start = System.nanoTime();
}
@After("execution(* *(..))")
public void after() {
long end = System.nanoTime();
System.out.println("cost time:" + (end-start));
}
}
例4：
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全（安全）
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
// 是否安全（安全）
private UserDao userDao = new UserDaoImpl();
public void update() {
userDao.update();
}
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
public void update() {
String sql = "update user set password = ? where username = ?";
// 是否安全（安全）
try (Connection conn = DriverManager.getConnection("","","")){
// ...
} catch (Exception e) {
// ...
}
}
}
例5：
public class MyServlet extends HttpServlet {
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
private UserDao userDao = new UserDaoImpl();
public void update() {
userDao.update();
}
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
// 是否安全（不安全：有可能线程一创建conn，线程二就把conn给close了）
private Connection conn = null;
public void update() throws SQLException {
String sql = "update user set password = ? where username = ?";
conn = DriverManager.getConnection("","","");
// ...
conn.close();
}
}
例6：
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
public void update() {
UserDao userDao = new UserDaoImpl();
userDao.update();
}
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
// 是否安全（安全，成员对象）
private Connection = null;
public void update() throws SQLException {
String sql = "update user set password = ? where username = ?";
conn = DriverManager.getConnection("","","");
// ...
conn.close();
}
}
例7：
import java.text.ParseException;
import java.text.SimpleDateFormat;
public class AbstractTest extends MyAbstractTest{
public void foo(SimpleDateFormat sdf) {
String dateStr = "1999-10-11 00:00:00";
for (int i = 0; i < 20; i++) {
new Thread(() -> {
try {
// parse()方法将字符串转换为日期,但需要注意：如果字符串与指定的格式不匹配，会报java.text.ParseException异常。
// SimpleDateFormat类详情可参考：https://www.php.cn/java-article-415360.html
sdf.parse(dateStr);
} catch (ParseException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}
public static void main(String[] args) {
new AbstractTest().bar();
}
}
abstract class MyAbstractTest {
public void bar() {
// 是否安全
SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
foo(sdf);
}
public abstract void foo(SimpleDateFormat sdf);
}
例8：
private static Integer i = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
List<Thread> list = new ArrayList<>();
for (int j = 0; j < 2; j++) {
Thread thread = new Thread(() -> {
for (int k = 0; k < 5000; k++) {
synchronized (i) {
i++;
}
}
}, "" + j);
list.add(thread);
}
list.stream().forEach(t -> t.start());
list.stream().forEach(t -> {
try {
t.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
log.debug("{}", i);
}
4). Monitor
1.java对象头
先了解一下java对象头概念，以 32 位虚拟机为例：
普通对象：
数组对象：
Mark Work 介绍
Mark Word这部分主要用来存储对象自身的运行时数据，如hashcode、gc分代年龄等。mark word的位长度为JVM的一个Word大小，也就是说32位JVM的Mark word为32位，64位JVM为64位。
为了让一个字大小存储更多的信息，JVM将字的最低两个位设置为标记位，其结构为：
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| Mark Word (32 bits) | State |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| identity_hashcode:25 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 | Normal |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| thread:23 | epoch:2 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 | Biased |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_lock_record:30 | lock:2 | Lightweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_heavyweight_monitor:30 | lock:2 | Heavyweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| | lock:2 | Marked for GC |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
其中各部分的含义如下：
- lock：2位的锁状态标记位，由于希望用尽可能少的二进制位表示尽可能多的信息，所以设置了lock标记。该标记的值不同，整个mark word表示的含义不同。
| biased_lock | lock | 状态 |
|---|---|---|
| 0 | 01 | 无锁 |
| 1 | 01 | 偏向锁 |
| 0 | 00 | 轻量级锁 |
| 0 | 10 | 重量级锁 |
| 0 | 11 | GC标记 |
- biased_lock：对象是否启用偏向锁标记，只占1个二进制位。为1时表示对象启用偏向锁，为0时表示对象没有偏向锁。
- age：4位的Java对象年龄。在GC中，如果对象在Survivor区复制一次，年龄增加1。当对象达到设定的阈值时，将会晋升到老年代。默认情况下，并行GC的年龄阈值为15，并发GC的年龄阈值为6。由于age只有4位，所以最大值为15，这就是-XX:MaxTenuringThreshold选项最大值为15的原因。
- identity_hashcode：25位的对象标识Hash码，采用延迟加载技术。调用方法System.identityHashCode()计算，并会将结果写到该对象头中。当对象被锁定时，该值会移动到管程Monitor中。
- thread：持有偏向锁的线程ID。
- epoch：偏向时间戳。
- ptr_to_lock_record：指向栈中锁记录的指针。
- ptr_to_heavyweight_monitor：指向管程Monitor的指针。
64 位虚拟机 Mark Word：
class pointer介绍
class pointer这一部分用于存储对象的类型指针，该指针指向它的类元数据，JVM通过这个指针确定对象是哪个类的实例。该指针的位长度为JVM的一个字大小，即32位的JVM为32位，64位的JVM为64位。
如果应用的对象过多，使用64位的指针将浪费大量内存，统计而言，64位的JVM将会比32位的JVM多耗费50%的内存。为了节约内存可以使用选项+UseCompressedOops开启指针压缩，其中，oop即ordinary object pointer普通对象指针。开启该选项后，下列指针将压缩至32位：
- 每个Class的属性指针（即静态变量）
- 每个对象的属性指针（即对象变量）
- 普通对象数组的每个元素指针
当然，也不是所有的指针都会压缩，一些特殊类型的指针JVM不会优化，比如指向PermGen的Class对象指针(JDK8中指向元空间的Class对象指针)、本地变量、堆栈元素、入参、返回值和NULL指针等。
array length
如果对象是一个数组，那么对象头还需要有额外的空间用于存储数组的长度，这部分数据的长度也随着JVM架构的不同而不同：32位的JVM上，长度为32位；64位JVM则为64位。64位JVM如果开启+UseCompressedOops选项，该区域长度也将由64位压缩至32位。
2.Monitor概念
Monitor，即管程，也常被翻译为“监视器”，monitor 不管是翻译为“管程”还是“监视器”，都是比较晦涩的，通过翻译后的中文，并无法对 monitor 达到一个直观的描述。在《操作系统同步原语》 这篇文章中，介绍了操作系统在面对 进程/线程 间同步的时候，所支持的一些同步原语，其中 semaphore 信号量 和 mutex 互斥量是最重要的同步原语。
在使用基本的 mutex 进行并发控制时，需要程序员非常小心地控制 mutex 的 down 和 up 操作，否则很容易引起死锁等问题。为了更容易地编写出正确的并发程序，所以在 mutex 和 semaphore 的基础上，提出了更高层次的同步原语 monitor，不过需要注意的是，操作系统本身并不支持 monitor 机制，实际上，monitor 是属于编程语言的范畴，当你想要使用 monitor 时，先了解一下语言本身是否支持 monitor 原语，例如 C 语言它就不支持 monitor，Java 语言支持 monitor。
一般的 monitor 实现模式是编程语言在语法上提供语法糖，而如何实现 monitor 机制，则属于编译器的工作，Java 就是这么干的。
monitor 的重要特点是，同一个时刻，只有一个 进程/线程 能进入 monitor 中定义的临界区，这使得 monitor 能够达到互斥的效果。但仅仅有互斥的作用是不够的，无法进入 monitor 临界区的 进程/线程，它们应该被阻塞，并且在必要的时候会被唤醒。显然，monitor 作为一个同步工具，也应该提供这样的管理 进程/线程 状态的机制。想想我们为什么觉得 semaphore 和 mutex 在编程上容易出错，因为我们需要去亲自操作变量以及对 进程/线程 进行阻塞和唤醒。monitor 这个机制之所以被称为“更高级的原语”，那么它就不可避免地需要对外屏蔽掉这些机制，并且在内部实现这些机制，使得使用 monitor 的人看到的是一个简洁易用的接口。
而每个java对象都可以关联一个Monitor对象，如果使用synchronized给对象上锁（重量级）之后，该对象头的Mark Word中就被设置指向Monitor对象的指针
3. Monitor工作原理
Monitor结构如下：
加锁过程如下：
-
刚开始时，Monitor中Owner为null
-
当Thread-2执行synchronized(obj)就会将Monitor的所有者Owner置为Thread-2，Monitor中只能有一个Owner
-
在Thread-2上锁的过程中，如果Thread-1，Thread-3也来执行synchronized(obj)，就会进入EntryList，处于BLOCKED状态
- Thread-2执行完同步代码块的内容后，然后唤醒EntryList中等待的线程来竞争锁，竞争时是非公平的
- 图中WaitSet中的Thread-0，Thread-1是之前获得过锁，但条件不满足进入WAITING状态的线程，后面讲wait-notify的时候会分析
注意：
- synchronized必须是进入同一对象的monitor才会有上述效果
- 不加synchronized的对象不会关联监视器，不遵从以上规则
未完待续…后续会发布其他博客进行补充