并发编程中的线程通信与锁模式-优快云博客

线程之间的通信

在并发编程中，主要考虑两种方式来实现线程之间的通信：

共享内存
消息传递

共享内存的一致性就需要锁来维护了，而在erlang中采用消息传递的方式，每个线程都有自己的消息队列，存放从别的线程拿到的消息。

锁模式

锁的工作模式有两种：

独占模式
共享模式

用读写锁来理解这两种模式很方便：读锁占有时，可以在上面继续加读锁。写锁占有时，任何锁都不能往上加（包括写锁）。

synchronized

synchronized是java关键字，被它修饰的代码块同一时间只能有一个线程进入。常见的两种用法如下：

public class Test {
    public void func1() {
        synchronized (Test.this) {

        }
    }

    public synchronized void func2() {
        
    }
}

在JDK 1.5之前synchronized和concurrent之间的性能差距还是挺大的，但是在JDK 1.6中通过优化，性能已经有比较大的改善。所以有时候还是用JDK自带的东西比较好，他能不断持续优化。被修饰的对象会有四种状态：

无锁
偏向锁
轻量级锁
重锁

具体的实现方式是在对象头中保存信息。可以猜想一段时间内，统一资源的线程数不会很多。进一步说，一个线程很有可能连续的访问同一个资源。如果不停地去获取锁，这样效率就会下降很多。偏向锁是乐观锁，如果发现已经持有锁了，那么就省去了一大堆的操作。

一个线程一直持有锁的时间也不会很长，更常见的情况应该是中间会被短暂打断。此时不需要将当前线程放到阻塞队列里面去，只需要用CAS操作在其自旋几次就可以了，这就是轻量级锁的优势。

如果上面的这些情况都没有出现，那显然是一个悲观的情况，变为重锁。

concurrent

大家经常说的并发包就是指java.util.concurrent.*的内容，需要去花时间理解AQS，他对底层的操作（cas、pack、unpack）进行封装，你只需要实现它的几个抽象方法，就能实现不同策略的并发功能（可以把他们看做是关键入口的开关）：

protected boolean tryAcquire(int arg) {
	throw new UnsupportedOperationException();
}
protected boolean tryRelease(int arg) {
	throw new UnsupportedOperationException();
}
protected int tryAcquireShared(int arg) {
	throw new UnsupportedOperationException();
}
protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
	throw new UnsupportedOperationException();
}

下面来详细看AQS到底封装了什么。首先，被阻塞的线程会放到一个队列上等待被唤醒，相关的结构如下：

static final class Node {
	volatile int waitStatus;
	volatile Node prev;
	volatile Node next;
	volatile Thread thread;
	Node nextWaiter;
}
private transient volatile Node head;
private transient volatile Node tail;
private volatile int state;

在并发包中对park、unpark等进行了封装，在LockSupport中实现：

public static void park(Object blocker) {
	Thread t = Thread.currentThread();
	setBlocker(t, blocker);
	unsafe.park(false, 0L);
	setBlocker(t, null);
}
public static void unpark(Thread thread) {
	if (thread != null)
		unsafe.unpark(thread);
}

在park、unpark中需要注意一点，被unpark的线程会在park的地方继续执行，而unpark的线程做完之后就接着干自己的事情。

独占模式加锁

首先来看阻塞模式下加锁的代码：

public final void acquire(int arg) {
	if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
		selfInterrupt();
}
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
	try {
		boolean interrupted = false;
		for (;;) {
			final Node p = node.predecessor();	// 获取前面的节点
			if (p == head && tryAcquire(arg)) {	// 在阻塞队列的最里面 || 尝试获取锁成功
				setHead(node);
				p.next = null;
				return interrupted;
			}
			// 阻塞操作
			if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
				interrupted = true;
		}
	} catch (RuntimeException ex) {
		cancelAcquire(node);
		throw ex;
	}
}

在acquire中的tryAcquire可以用来实现不同的加锁策略，这个可以看ReentrantLock中的FairSync和NonfairSync。在acquireQueued中实现了真正的逻辑：

不停地尝试获取资源（tryAcquire），如果成功，那么当前线程运行在独占模式，如果失败，则继续阻塞。

整个运行的过程在看完下面解锁的过程就明白了。

独占模式解锁

在独占模式下，要释放锁的时候，只需要将头结点后面的节点唤醒即可：

public final boolean release(int arg) {
	if (tryRelease(arg)) {
		Node h = head;
		if (h != null && h.waitStatus != 0)
		unparkSuccessor(h);
		return true;
	}
	return false;
}
private void unparkSuccessor(Node node) {
	int ws = node.waitStatus;
	if (ws < 0)
		compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); 
	Node s = node.next;
	// 去掉之前CANCLE的节点
	if (s == null || s.waitStatus > 0) {
		s = null;
		for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
			if (t.waitStatus <= 0)
				s = t;
	}
	// 唤醒后继节点中的线程
	if (s != null)
		LockSupport.unpark(s.thread);
}

独占模式下的解锁时分成两步来进行操作的：

释放掉占用状态
唤醒后面的线程

释放成功之后，后面的线程就工作在独占模式了，对应到加锁代码中的话，就是从parkAndCheckInterrupt中返回了。用一个简单的图来看独占模式：

共享模式加锁

共享与独占的模式有些不同，如果一个共享锁获取成功，那么后面正在被阻塞等待共享锁的线程也会被唤醒执行，看代码：

public final void acquireShared(int arg) {
	if (tryAcquireShared(arg) < 0)
		doAcquireShared(arg);
}
private void doAcquireShared(int arg) {
	final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
	try {
		boolean interrupted = false;
		for (;;) {
			final Node p = node.predecessor();
			if (p == head) {
				int r = tryAcquireShared(arg);
				if (r >= 0) {				// 获取成功
					setHeadAndPropagate(node, r);	// 设置头结点并唤醒后面的节点
					p.next = null;
					if (interrupted)
						selfInterrupt();
					return;
				}
			}
			// 获取失败则被阻塞
			if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt())
				interrupted = true;
		}
	} catch (RuntimeException ex) {
		cancelAcquire(node);
		throw ex;
	}
}

主要的不同点在setHeadAndPropagate中，如果节点是共享状态，那么会调用doReleaseShared方法来完成对后面节点唤醒操作。那么被唤醒的节点继续执行，在下一次循环中会继续唤醒后面的节点，所以可以看到这里是一个依次传递的过程。

共享模式解锁

虽然在共享模式下加锁的时候会唤起后面的节点，但是如果后的节点没有继续运行的话（也就是说虽然这个节点没有被继续阻塞，但是它确实没有执行），那么后面的节点就没办法被唤醒了。

public final boolean releaseShared(int arg) {
	if (tryReleaseShared(arg)) {
		doReleaseShared();
		return true;
	}
	return false;
}
private void doReleaseShared() {
	for (;;) {
		Node h = head;
		if (h != null && h != tail) {
			int ws = h.waitStatus;
			if (ws == Node.SIGNAL) {
				if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
					continue;
				unparkSuccessor(h);
			} else if (ws == 0 && !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
				continue;
		}
		if (h == head)
			break;
	}
}

在共享模式下可能出现下面一种情况：唤醒的线程B比当前线程A执行更快，以至于在A的循环还没执行完head已经变化了：

出现这种情况再次进去循环，将head的状态设置为Node.PROPAGATE。

还有一种情况是B执行的没有那么快，此时head没有发生变化：

在这种情况下当前线程不会沿着链表继续unpark下去。

下面用一张图来看共享模式下的操作：

下面来看concurrent包中的并发工具的用法。

ReentrantLock

可重入锁的含义就是说，一个拿到锁的线程还能再次拿到锁，它工作在独占模式下，用法如下：

lock.lock();
try {
	// ...
} finally {
	lock.unlock();
}

Condition

在很多时候线程会等到某个条件成熟之后才能恢复运行，在此之前它甚至没有机会去被unpark，因为在Condition上等待的线程没有在阻塞队列中：

lock.lock();
try {
	while (count == capacity) {
		notFull.await();
	}
	count++;
	notEmpty.signalAll();
} finally {
	lock.unlock();
}

CountDownLatch

一个计数器：

final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
new Thread() {
	public void run() {
		// TODO
		latch.countDown();
	}
}.start();
latch.await();

CyclicBarrier

等到线程数到齐了就一起启动，可以重复使用：

final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(2);
new Thread() {
	public void run() { barrier.await();
		// TODO
	}
}.start();

Semaphore

信号量，用来控制访问资源的线程数目：

final Semaphore semaphore = new Semaphore(2);
new Thread() {
	public void run() {
		semaphore.acquire(1);
		try {
			
		} finally {
			semaphore.release(1);
		}
	}
}.start();

ReentrantReadWriteLock

经典的读写锁实现：

final ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
final Lock readLock = rwl.readLock(); // 读锁
final Lock writeLock = rwl.writeLock(); // 写锁
new Thread() {
	public void run() {
		readLock.lock();
		try {

		} finally {
			readLock.unlock();
		}
	}
}.start();
new Thread() {
	public void run() {
		writeLock.lock();
		try {

		} finally {
			writeLock.unlock();
		}
	}
}.start();

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