译 -- Java 并发编程（多线程）三 | Semaphore | ThreadLocal | synchronized

于 2017-01-18 14:57:30 发布
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分类专栏： 并发多线程 翻译文章 文章标签： 多线程 semaphore 并发 java

接着上一篇译 – Java 并发编程（多线程）二
原文地址：http://stackoverflow.com/documentation/java/121/concurrent-programming-threads#t=201701170653119627647
Synchronization

在Java中， 有一个内置语言级别的锁机制：synchronized 块, 它使用任何的java对象作为一个固有锁（i.e. 每个java对象都有一个监视器和它相关联）

固有锁原子的提供了一组表述。为了理解它对我们有什么意义， 让我们来看一个`synchronized ` 非常有用的例子 ：

private static int t = 0;
private static Object mutex = new Object();

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(400); // The high thread count is for demonstration purposes.
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        executorService.execute(() -> {
            synchronized (mutex) {
                t++;
                System.out.println(MessageFormat.format("t: {0}", t));
            }
        });
    }
    executorService.shutdown();
}

这种情况下， 如果没有`synchronized 同步块， 将会有很多的并发问题出现， 第一个是计算增量的操作（本身就不是原子的）， 第二个是我们所观察到的t值是其它任意数量的线程修改之后的。然而， 既然我们获取了固有锁之后， 便没有了竞争条件， 输出也会以正常的顺序包含1到100.

固有锁在java 中是互斥的（i.e. 相互执行的锁）。 相互执行意味着一个线程占有了锁， 第二个线程获取锁之前被强制等待第一个线程释放它。注意： 一个操作可能会把线程放到等待(睡眠)队列状态，被称之为阻塞操作，因此获取一个锁是一个阻塞操作。

固有锁在Java 中是可重入的。意味着如果一个已经拥有锁的线程再次去获取锁， 它将不会阻塞，且会成功的获取它。 例如，下面的代码在调用时将不会阻塞：

public void bar(){
    synchronized(this){
        ...
    }
}
public void foo(){
    synchronized(this){
        bar();
    }
}

synchronized 同步块旁边， 有`synchronized 方法。

下面的代码块理论上是等价的（即使字节码看起来不同）

1、synchronized 块在this

public void foo() {
    synchronized(this) {
        doStuff();
    }
}

2、`synchronized 方法：

 public synchronized void foo() {
     doStuff();
 }

3、同样的对于static方法：

class MyClass {
    ...
    public static void bar() {
        synchronized(MyClass.class) {
            doSomeOtherStuff();
        }
    }
}

和下面有相同的作用：

class MyClass {
    ...
    public static synchronized void bar() {
        doSomeOtherStuff();
    }
}

使用一个线程池完成两个int数组相加

一个线程池有一个任务队列， 每个任务都将会在某个线程中执行。下面的例子展示怎么使用线程池完成两个int 数组相加。

Java SE 8
int[] firstArray = { 2, 4, 6, 8 };
int[] secondArray = { 1, 3, 5, 7 };
int[] result = { 0, 0, 0, 0 };

ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool(); 

// Setup the ThreadPool:
// for each element in the array, submit a worker to the pool that adds elements
for (int i = 0; i < result.length; i++) {
    final int worker = i;
    pool.submit(() -> result[worker] = firstArray[worker] + secondArray[worker] );
}

// Wait for all Workers to finish:
try {
    // execute all submitted tasks
    pool.shutdown();
    // waits until all workers finish, or the timeout ends
    pool.awaitTermination(12, TimeUnit.SECONDS);
}
catch (InterruptedException e) {
    pool.shutdownNow(); //kill thread
}

System.out.println(Arrays.toString(result));

注意：

1、 这个例子仅仅是为了做解释说明， 实际上，对于这个小任务，使用线程并不会有任何的加速，更可能减慢， 因为任务创建和调度的花费将会消耗很多时间。

2、如果你使用java 7 或着更早的版本， 你将会看到匿名类而不是lambda表达式来实现这个任务。

原子操作

一个原子操作是一个被称之为“all at once”的操作， 在原子操作执行期间， 没有任何其它线程有查看或修改状态的机会。

看一个糟糕的示例：

private static int t = 0;

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(400); // The high thread count is for demonstration purposes.
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        executorService.execute(() -> {
            t++;
            System.out.println(MessageFormat.format("t: {0}", t));
        });
    }
    executorService.shutdown();
}

在这种情况下， 有两个问题， 第一个问题是增量操作不是原子的， 它有多个操作组成： 获取值， 值加1， 写回值。这也就是为什么我们运行这个示例，很可能我们输出不会看到t:100 两个线程可能并行的获取这个值，修改，然后写回。假设值为10， 两个线程同时加1， 都将会把值设为11， 因为第二个线程看到的值t是在第一个线程还没有完成修改之前。

第二个问题是当我们在当前线程的进行的加值操作之后打印值t， 值t可能已经被 另一个线程修改了。

解决这个问题， 我们使用java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger 有很多原子操作供我们使用。

private static AtomicInteger t = new AtomicInteger(0);

public static void main(String[] args) {
    ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(400); // The high thread count is for demonstration purposes.
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        executorService.execute(() -> {
            int currentT = t.incrementAndGet();
            System.out.println(MessageFormat.format("t: {0}", currentT));
        });
    }
    executorService.shutdown();
}

AtomicInteger 的`incrementAndGet 方法原子的增加且返回一个新值，因此消除了之前的竞争条件。 注意在这个示例中， 输出行仍然是无序的， 因为我们没有努力去串行化println 调用, 这也不在本示例的讨论范围内，既然它要求同步， 示例的目标就是展示如何使用 AtomicInteger 来消除有关状态的竞争条件。

排它写/并行读访问

有些时候要求一些进程并发的读写一些数据

ReadWriteLock 接口， 和它的实现 `ReentrantReadWriteLock 允许描述如下的访问模式：

1、有任意数量的读者读数据， 如果至少一个读者被授权读， 那么没有任何写者有访问数据的可能

2、最多有一个写者写数据， 如果有一个写着写数据， 没有读者可以访问数据。

一个实现像下面这样：

import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
public class Sample {

// Our lock. The constructor allows a "fairness" setting, which guarantees the chronology of lock attributions.
protected static final ReadWriteLock RW_LOCK = new ReentrantReadWriteLock();

// This is a typical data that needs to be protected for concurrent access
protected static int data = 0;

/** This will write to the data, in an exclusive access */
public static void writeToData() {
    RW_LOCK.writeLock().lock();
    try {
        data++;
    } finally {
        RW_LOCK.writeLock().unlock();
    }
}

public static int readData() {
    RW_LOCK.readLock().lock();
    try {
        return data;
    } finally {
        RW_LOCK.readLock().unlock();
    }
}

}

终止执行

Thread.sleep 可以造成当前线程延迟特定期限执行， 这是一种有效的方式， 使处理器有更多可利用的时间给其它应用程序的线程， 在Tread类中有两个重载的sleep 方法。

一个明确了毫秒级的睡眠时间

public static void sleep(long millis) throws InterruptedException

一个明确了纳米级的睡眠时间

public static void sleep(long millis, int nanos)

终止执行一秒

Thread.sleep(1000);

注意到这只是操作系统内核调度的一个示例， 它并不精确， 并且一些实现根本不考虑纳秒（很可能精确到毫秒）。

强烈推荐用try / catch 并且捕获InterruptedException 来闭合Thread.sleep 的调用.

信号量

基本上， 一个信号量是一个计数器， 它约束了能够访问临界区的线程数量。信号量维护了一组许可, 当被授权访问临界区，便会acquire进入， 当临界区可用便会release。

一个信号量的初始化：

Semaphore semaphore = new Semaphore(1); //the int value being the number of permits

Semaphore构造函数接受一个额外的boolean参数fairness，表示是否是公平模式， 当设置为false， 类就不会保证获取acquire许可的的线程的进入临界区顺序。 当设置为ture， 信号量保证了调用acquire方法的线程顺序的被选择获取许可， 在临界区内它们的方法调用被执行， 按以下方式声明：

Semaphore semaphore = new Semaphore(1, true);

让我们看一个来自javadocs的例子， Semaphore被用来控制一个items池的访问：

class Pool {
   private static final int MAX_AVAILABLE = 100;
   private final Semaphore available = new Semaphore(MAX_AVAILABLE, true);

   public Object getItem() throws InterruptedException {
     available.acquire();
     return getNextAvailableItem();
   }

   public void putItem(Object x) {
     if (markAsUnused(x))
       available.release();
   }

   private Object getNextAvailableItem(){
    //implementation
    }

   private void markAsUnused(Object o){
    //implementation
    }
}

线程终止/恢复函数

这个代码片段是在当你一段时间内不需要它的时候持有这个线程。之后恢复它的运行。

private volatile boolean killThread = false;
private Thread refreshThread;

refreshThread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while (!killThread) {
                    try {
                        synchronized (refreshThread) {
                            while (!runningFlag) refreshThread.wait();
                        }
                        // do stuff e.g. refresh a RSS feed or smth.
                        Thread.sleep(2500);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        });
 refreshThread.start();

public void pauseAutoRefresh() {
    runningFlag = false;
}

public void resumeAutoRefresh() {
    runningFlag = true;
    synchronized (refreshThread) {
        refreshThread.notify();
    }

public void killThread(){
    killThread = true;
    refreshThread.interrupt();   
}

使用ThreadLocal

在Java 并发中一个有用的工具是`ThreadLocal , 它允许你有对于给定的线程独一无二的变量， 因此， 如果一些代码运行在不同的线程中， 这些执行体将不会共享这个值， 相反每个线程都有一个自己的本地变量。

例如， 这经常被频繁的使用在一个servlet的一个处理请求中来建立上下文（譬如授权信息），你可能会这样做：

private static final ThreadLocal<MyUserContext> contexts = new ThreadLocal<>();

public static MyUserContext getContext() {
    return contexts.get(); // get returns the variable unique to this thread
}

public void doGet(...) {
    MyUserContext context = magicGetContextFromRequest(request); 
    contexts.put(context); // save that context to our thread-local - other threads
                           // making this call don't overwrite ours
    try {
        // business logic
    } finally {
        contexts.remove(); // 'ensure' removal of thread-local variable
    }
}

现在， 你能够在你需要的地方使用MyServlet.getContext() , 而不是通过传递`MyUserContext 到每个方法中， 当然， 这的确引入了一个需要维护的变量， 但是它是线程安全的， 使用这个如此高全局作用域的变量消除了很多缺点。

这里主要的优点是每个线程在它的上下文容器中有一个本地变量. 只要从一个已定义的切入点（就像要求每个servlet维护它的上下文， 或添加一个servlet过滤器）使用它。当你需要的时候能够依赖这个上下文.

可视化的读写屏障当使用synchronized / volatile

我们都知道应该使用`synchronized 原语去使一个方法或代码块的执行具有排他性。但是我们很少有人注意到一个使用synchronized和volatile很重要的方面.关键点：除了使一个单元代码具有原子性， 它也提供了读写屏障， 什么是读写屏障？ 让我们使用下面的样例来讨论：

class Counter {

  private Integer count = 10;

  public synchronized void incrementCount() {
    count++;
  }

  public Integer getCount() {
    return count;
  }
}

我们假设线程A首先调用了`incrementCount() 接着另一个线程调用了getCount() , 在这个场景中并不能保证B会看到更新后的count 值。 它可能看到count 值还是10 ，甚至B可能永远都看不到更新后的count 值。

要理解这个行为， 我们应该理解Java 内存模型是怎么和硬件结构结合的。 在Java中， 每个线程有自己的线程栈， 栈包含方法调用栈、线程创建的本地变量栈。 在多核系统中， 很可能两个线程并行的在独立的核中运行。 在这样的场景中，很可能线程栈的一部分位于一个核的寄存器/缓存中。如果在一个线程中， 一个线程访问被synchronized (或 volatile)原语修饰的对象。 synchronized 块代码执行之后， 线程同步变量的本地拷贝到主存中。这就创建了一个读写屏障，确保线程看到最新的对象的值。

但是在我们的示例中， 因为线程B没有使用同步访问count ， 它可能引用存储在寄存器中的count 值， 且从来不会看到线程A的更新。 要确保线程B看到A最新值， 我们需要使getCount() 也进行同步。

public synchronized Integer getCount() {
  return count;
}

现在当线程A完成更新count 的工作， 释放了Counter 实例的锁， 同时创建了一个写屏障， 刷新代码块中进行的所有改变到主存中， 类似的， 当线程B在相同的Counter 实例上获取锁时， 它进入了读屏障并且从主存中读取count 值， 并能看到所有的更新。

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