之前写了一篇线程同步的原理分析的文章.
线程同步
http://www.iteye.com/topic/164905
看到大家的反馈,感到深受鼓励.
看来这种举例说明本质原理的浅显易懂的文章, 还是比较受欢迎的.
关于线程, 我以前也写过一些文章.只是写得不那么清楚易懂.
一是因为自己的理解也有限, 二是很难找到灵感,很难写出一个非常贴切的例子.
应一些坛友的意见. 我这里继续发一些线程相关的内容.
内容的条理性和连贯性可能有些欠缺.
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生产者/消费者模型
有了信号量这个利器,我们就可以处理比较复杂的线程同步模型了。
首先,我们来看一个比较简单的生产者/消费者模型。还是以Java代码为例。
public static final Object signal = new Object();
public static final char[] buf = new char[1024]; // 需要同步访问的共享资源
// 生产者代码
… produce() {
for(… ) { // 循环执行
synchronized(signal){
// 产生一些东西,放到 buf 共享资源中
signal.notify(); //然后通知消费者
signal.wait(); // 然后自己进入signal待召队列
}
}
}
// 消费者代码
… consume() {
for(… ) { // 循环执行
synchronized(signal){
signal.wait(); // 进入signal待召队列,等待生产者的通知
// 读取buf 共享资源里面的东西
signal.notify(); // 然后通知生产者
}
}
}
上述的生产者/消费者模型的实现非常简单,只用了一个信号量signal。这只是一段示意代码。
实际上的生产者/消费者模型的实现可能非常复杂。可以引入buf已满或者已空的判断,可以引入更多的信号量,也可以引入一个环状的buf链。但那些都是性能优化方面的工作,基本的信号量工作方式还是不变的。
生产者/消费者模型是典型的Coroutine。而且,当消费者或者生产者线程进入待召队列的时候,当前的运行栈状态就暂时保存在系统当中,这种状况又是典型的Continuation。
因此,我们完全可以用信号量机制自己实现Coroutine和Continuation。其实,那些在语法层面上支持Coroutine和Continuation的语言,内部实现原理也是采用类似的信号量同步机制。
读写模型
读写模型是一个稍微复杂一些的模型。
一份共享资源允许多个读者同时读取。但是只要有一个写者在写这份共享资源,任何其他的读者和写者都不能访问这份共享资源。
读写模型实现起来,不仅需要信号量机制,还需要额外的读者计数和写者计数。
public static final Object signal = new Object();
public static int readers = 0;
public static int writers = 0;
// 读者代码
… read() {
for(… ) { // 循环执行
synchronized(signal){
while( writers > 0 )
signal.wait(); // 如果有人在写,那么就放弃执行,进入待召队列
// 能够到达这里,说明没有人在写
readers ++ ; // 增加一个读者计数,表示本线程在读取
} // 这里出了synchronized范围,释放同步锁.以便其他线程读取.
// 进行一些读取操作
synchronized(signal){
readers --; // 读取完成,减少一个读者计数,表示本线程不在读取
signal.notifyAll(); // 通知待召队列里面的所有其他线程
}
}
}
// 写者代码
… write() {
for(… ) { // 循环执行
synchronized(signal){
while( writers > 0 || readers > 0)
signal.wait();// 如果有人在写或读,那么就放弃执行,进入待召队列
// 能够到达这里,说明没有人在写,也没有人在读
writers ++ ; // 增加一个写者计数,表示本线程在写
// 进行一些写操作
writers --; // 读取完成,减少一个读者计数,表示本线程不在写
signal.notifyAll(); // 通知待召队列里面的所有其他线程
}
}
}
上述代码只是一段示意代码。实际应用中,人们通常抽取出来一个专门的读写同步锁。
interface ReadWriteLock {
… getReadLock();
… releaseReadLock();
… getWriteLock();
… releaseWriteLock();
}
具体的实现原理也是类似的信号量同步机制。
class RWLock {
… readers, writers;
… synchronized … getReadLock() { // 相当于synchronized(this)
…
while( writers > 0 )
this.wait(); // 这里我们把RWLock对象本身作为信号量
readers++;
}
…synchronized … releaseReadLock(){ //相当于synchronized(this)
readers--;
this.notifyAll(); // // 这里我们把RWLock对象本身作为信号量
}
…synchronized … getWriteLock(){// 相当于synchronized(this)
while( writers > 0 || readers > 0 )
this.wait(); // 这里我们把RWLock对象本身作为信号量
writers++;
}
…synchronized … releaseWriteLock(){// 相当于synchronized(this)
writers--;
this.notifyAll(); // // 这里我们把RWLock对象本身作为信号量
}
}
具体用法是
public static final RWLock lock = new RWLock();
… read() {
lock.getReadLock();
// 读取
lock.releaseReadLock();
}
… write() {
lock.getWriteLock();
// 读取
lock.releaseWriteLock();
}
这种用法要求在执行一些处理之前,一定要执行某项特殊操作,处理之后一定也要执行某项特殊操作。这种人为的顺序性,无疑增加了代码的耦合度,降低了代码的独立性。很有可能会成为线程死锁和资源操作冲突的根源。
这点一直让我不安,可是没有找到方法避免。毕竟,死锁或者资源操作冲突,是线程的固有问题。
很巧的是,正在我惴惴不安的时候,我的一个朋友提供了一个信息。Sun公司根据JCR,决定在jdk1.5中引入关于concurrency(并发)的部分。
以下这个网址是concurrency部分的util.concurrent一个实现。非常好的信息。对于处理多线程并发问题,很有帮助。
http://gee.cs.oswego.edu/dl/classes/EDU/oswego/cs/dl/util/concurrent/intro.html
里面提供了一个ReadWriteLock类,标准用法如下。
Standard usage of ReadWriteLock:
class X {
ReadWriteLock rw;
// ...
public void read() throws InterruptedException {
rw.readLock().acquire();
try {
// ... do the read
}
finally {
rw.readlock().release()
}
}
public void write() throws InterruptedException {
rw.writeLock().acquire();
try {
// ... do the write
}
finally {
rw.writelock().release()
}
}
}
我们可以看到,ReadWriteLock同样要求调用的顺序——aquire()和release()。我对自己的例子增强了一点信心。
我又查看了WriterPreferenceReadWriteLock类,看到里面成对的方法,startRead(),endRead();startWrite(),endWrite()。我的心情完全放松了下来。我的思路虽然粗糙,但大体的方向是正确的。
Concurrent Map
Concurrent Map的最简单的实现方法是直接用java.util.HashTable类,或者用Collections.synchronizedMap() 修饰某个Map。
这样获得的Map能够保证读写同步,但是,并发读的时候,也必须同步,串行读取,效率很低。这个思路显然不适合。
Doug Lea提供了一个Concurrent工具包,
http://gee.cs.oswego.edu/dl/classes/EDU/oswego/cs/dl/util/concurrent/intro.html
包括Lock, ReadWriteLock, CurrentHashMap, CurrentReaderHashMap等类。JDK1.5引入了这些类,作为java.util.concurrent Package。
我设想了一下,CurrentHashMap应该是采用ReadWriteLock实现读写同步。代码看起来应该像这个样子。 // my guess
class CocurrentHashMap { Private Map map = null; final ReadWriteLock rwLock = new …. ; final Lock readLock = rwLock.readLock(); final Lock writeLock = rwLock.writeLock(); // decorate the map as concurrent public CocurrentHashMap(Map m){ map = m; } // all write method, like put, putAll, remove, clear public void putAll(Map m){ writeLock.lock(); try{ map.putAll(m); }finally{ writeLock.unlock(); } } // all read method. like get, containsKey, containsValue, entrySet() public Object get(Object key){ readLock.lock(); try{ return map.get(key); }finally{ readLock.unlock(); } }; // as we can see, in such places it is convenient to use AOP here. :-)
但看了CurrentHashMap 的代码,发现不是这样。其中的实现比较复杂,把Table分成段进行分别管理。那个内部类 Segment extends ReentrantLock。
里面的 readValueUnderLock 方法里面用了lock。
/** * Read value field of an entry under lock. Called if value * field ever appears to be null. This is possible only if a * compiler happens to reorder a HashEntry initialization with * its table assignment, which is legal under memory model * but is not known to ever occur. */ V readValueUnderLock(HashEntry<K,V> e) { lock(); try { return e.value; } finally { unlock(); } }我们再来看CurrentReaderHashMap, “A version of Hashtable that supports mostly-concurrent reading, but exclusive writing.”
http://gee.cs.oswego.edu/dl/classes/EDU/oswego/cs/dl/util/concurrent/ConcurrentReaderHashMap.java
但是它的 read ( get, contains, size …) 方法里面用到了synchronized。还是要获得系统锁。
线程池
线程是一种比较昂贵的资源。有些系统为了重用线程,引入了线程池的机制。
线程池的工作原理如下:
首先,系统会启动一定数量的线程。这些线程就构成了一个线程池。
当有任务要做的时候,系统就从线程池里面选一个空闲的线程。然后把这个线程标记为“正在运行”。然后把任务传给这个线程执行。线程执行任务完成之后,就把自己标记为“空闲”。
这个过程并不难以理解。难以理解的是,一般来说,线程执行完成之后,运行栈等系统资源就会释放,线程对象就被回收了。一个已经完成的线程,又如何能回到线程池的空闲线程队列中呢?
秘诀就在于,线程池里面的线程永远不会执行完成。线程池里面的线程,都是一个无穷循环。具体代码如下:
Thread pooledThread {
… theTask …. // theTask成员变量,表示要执行的任务
… run() {
while( true ) { // 永不停止的循环
signal.wait(); // 等待系统的通知
theTask.run(); // 执行任务
}
}
}
系统只需要调用 signal.notify() 就可以启动一个空闲线程。