线程同步模型, 生产者/消费者, 读写同步,线程池,concurrent map.

本文通过Java代码示例,详细介绍了使用信号量实现生产者/消费者模型的方法,并探讨了其在Coroutine和Continuation中的应用。
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。
### 线程同步的实现方法有哪些 线程同步多线程编程中的关键问题,目的是确保多个线程在访问共享资源时保持数据一致性,避免竞态条件和数据不一致问题。线程同步的实现方法主要包括以下几种: #### 1. 使用 `synchronized` 关键字 `synchronized` 是 Java 中最基础的同步机制,它可以通过以下三种方式使用: - **同步实例方法**:在方法定义前添加 `synchronized` 关键字,确保同一时间只有一个线程可以执行该方法。 ```java public synchronized void increment() { // 方法体 } ``` - **同步静态方法**:静态方法同步锁定的是类对象,而不是实例对象。 ```java public static synchronized void staticIncrement() { // 方法体 } ``` - **同步代码块**:通过显式指定锁对象,可以更灵活地控制同步范围。 ```java public void method() { // 非同步代码 synchronized(this) { // 同步代码块 } // 非同步代码 } ``` 这种方式适用于简单的线程同步需求,但在复杂场景下可能不够灵活[^2]。 #### 2. 使用 `ReentrantLock`(显式锁) `ReentrantLock` 是 `java.util.concurrent.locks` 包中的一个可重入锁,它提供了比 `synchronized` 更强大的功能,例如尝试加锁、超时机制和公平锁策略。 ```java import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); public void accessResource() { lock.lock(); try { // 访问共享资源 } finally { lock.unlock(); } } ``` 相比于 `synchronized`,`ReentrantLock` 更加灵活,但也需要手动控制锁的获取和释放[^4]。 #### 3. 使用 `volatile` 关键字 `volatile` 用于保证变量的可见性,确保多个线程对变量的修改能够及时被其他线程看到。它不提供原子性,仅适用于简单的状态标记场景。 ```java private volatile boolean flag = false; public void toggleFlag() { flag = true; } ``` `volatile` 适用于变量的读写操作不依赖当前值的场景,例如标志位控制[^4]。 #### 4. 使用原子类(如 `AtomicInteger`) Java 提供了 `java.util.concurrent.atomic` 包,其中包含多种原子变量类型,如 `AtomicInteger`、`AtomicLong` 等,它们通过 CAS(Compare-And-Swap)算法实现线程安全的原子操作。 ```java import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0); public void incrementCounter() { counter.incrementAndGet(); } ``` 原子类适用于高并发环境下需要保证数据原子性的场景,例如计数器。 #### 5. 使用条件变量(如 `Condition`) 条件变量通常与 `ReentrantLock` 一起使用,用于实现线程间更复杂的同步逻辑。它允许线程等待某个条件成立后再继续执行。 ```java ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); Condition condition = lock.newCondition(); public void awaitCondition() throws InterruptedException { lock.lock(); try { condition.await(); } finally { lock.unlock(); } } public void signalCondition() { lock.lock(); try { condition.signal(); } finally { lock.unlock(); } } ``` 这种方式适用于线程间需要根据特定条件进行协调的场景,例如生产者-消费者模型[^5]。 #### 6. 使用读写锁(如 `ReentrantReadWriteLock`) 读写锁允许多个读线程同时访问共享资源,但线程独占资源,适用于读多少的场景。 ```java import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock; ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock(); public void readData() { rwLock.readLock().lock(); try { // 读取数据 } finally { rwLock.readLock().unlock(); } } public void writeData() { rwLock.writeLock().lock(); try { // 入数据 } finally { rwLock.writeLock().unlock(); } } ``` 读写锁提高了并发性能,适用于对共享数据进行频繁读取但较少修改的场景[^4]。 #### 7. 使用信号量(`Semaphore`) 信号量用于控制同时访问的线程数量,常用于资源池、连接池等场景。 ```java import java.util.concurrent.Semaphore; Semaphore semaphore = new Semaphore(3); // 允许最多3个线程同时访问 public void accessResource() throws InterruptedException { semaphore.acquire(); try { // 访问资源 } finally { semaphore.release(); } } ``` 信号量适用于需要控制并发访问数量的场景,例如数据库连接池管理。 #### 8. 使用线程安全容器 Java 提供了多种线程安全的集合类,如 `ConcurrentHashMap`、`CopyOnWriteArrayList` 等,它们内部已经实现了同步机制,适合在多线程环境中使用。 ```java import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap; ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>(); map.put("key", "value"); ``` 线程安全容器适用于多个线程同时访问共享集合数据的场景。 #### 9. 使用 `CountDownLatch` 和 `CyclicBarrier` `CountDownLatch` 用于等待多个线程完成后再继续执行,而 `CyclicBarrier` 则用于多个线程相互等待,直到都到达某个屏障点。 ```java import java.util.concurrent.CountDownLatch; CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3); public void doWork() { // 执行任务 latch.countDown(); } public void waitForCompletion() throws InterruptedException { latch.await(); } ``` 这些工具类适用于需要协调多个线程执行顺序的场景,例如并行任务的启动或结束控制。 --- ###
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