Java 线程与锁

Synchronization

synchronized语法可以获取锁, 当其他线程持有锁的时候该线程想要获取锁将会进入等待状态, 直到没有其他线程持有该锁

显示使用 synchronized (lock) 将会获取lock对象的锁

没有显示指定锁对象将会获取当前类的class对象的锁

Wait and Notification

每个对象m都有一个wait set, 调用该对象的wait方法的线程会被加入到wait set

1. Wait

调用某个对象m的wait方法会使调用线程t进入等待状态, 他有如下几个派生方法

wait(): 无限期等待, 直到被wait对象被notify或notifyAll

wait(long timeout): 等待timeout毫秒, 或被notify

wait(long timeout, int nanos): 等待 1000000*timeout+nanos 纳秒

调用lock.wait()必须持有lock的monitor(锁), 否则会抛出IllegalMonitorStateException, 例如

    private final static Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        synchronized (lock) { // 该线程必须持有锁

            while (condition not hold) {

                lock.wait();

            }

            // logic code

        }

    }

线程t会在如下情况从对象的wait set移除:

1) 在t被选为从wait set中移除的线程的时候, 调用m的notify方法

2) 调用m的notifyAll方法

3) t被中断

4) wait的时间到达指定值

*: 一般来说wait都是放在一个循环里, 这个循环会一直判断wait()的条件是否成立, 这是因为如果有evil线程将wait唤醒, 有可能你继续执行的条件还未成立, 这样就可以继续进入wait状态

调用wait()会释放锁, 当被notify()的时候, 会重新获得锁

2. Notification

调用m的notify方法的线程t必须持有m的monitor, 否则抛出IllegalMonitorStateException

1) notify(): 随机唤醒m的wait set中的其中一个线程t1, 并将t1从wait set中移除

2) notifyAll(): 唤醒所有m的wait set中的所有线程并移除

调用notify()并不会释放锁, 所以, 即使调用了notify(), 另一个正在wait()的线程也需要等到notify()线程中的同步块执行完毕释放锁以后才能继续执行, 例如

synchronized (lock) {

   monitor.notify()

   foo()

}

则必须等到foo()执行完毕, await()线程重新获得锁以后才能继续执行

3. Interruptions

调用线程t.interrupt()会将t的 interruption status 设置为 true

如果 t 在 m 的 wait set 里, 调用 t.interrupt() 会将 t 从 m 的 wait set 里移除, 然后wait()方法会抛出InterruptedException, 并将 interruption status 清除.

4. Waits, Notification, Interruption的交互

如果一个线程处于waiting状态, 但是同时被notify和interrupt 它要么:

a. 如果notify在前, 则正常唤醒, 并调用线程的interrupt, interrupt标志位置为true

b. 如果interrupt在前, 则t抛出InterruptedException, 然后另一个线程u将被唤醒并从wait set移除

Sleep and Yield

yeild 会让当前执行线程暂停, 并让同优先级的线程执行.

sleep 指定某个线程的暂停一定的时间

yeild和sleep都不需要获得锁, 也不能被唤醒

调用 sleep 和 yield 不会刷新寄存器缓存到共享内存中, 也不会让寄存器缓存重载.

while (!this.done)

    Thread.sleep(1000);

所以如果 this.done 如果不是volatile的, 则有可能使得循环内一直使用相同的this.done值, 这样循环可能永远停不下来, 即使别的线程修改了this.done的值

Memory Model

1. 没有正确同步的程序

由于Java编译器和微处理器会对程序进行优化, 如果不进行正确的同步操作, 可能会出现很诡异的行为.

例如, 以下程序使用本地变量 r1, r2, 并共享变量 A B, 最初 A == B == 0

Thread 1	Thread 2
1: `r2 = A;`	3: `r1 = B;`
2: `B = 1;`	4: `A = 2;`

可能会觉得 r2 == 2, r1 == 1 并不可能. 从直觉上来看, 指令1先执行, r2则看不到指令4中A的变化, 指令3先执行, r1则看不到指令2中B的变化.

然而, 由于编译器的优化, 很有可能会打乱执行顺序, 造成最后的结果是r2 == 2, r1 == 1, 如下

Thread 1	Thread 2
`B = 1;`	`r1 = B;`
`r2 = A;`	`A = 2;`

像这种程序在多线程中是不正确的:

1. 在一个线程中有写共享变量操作

2. 在另一个线程中读这个共享变量

3. 读和写的顺序没有被同步控制

这种情况叫做数据竞争(data race), 如果代码里出现数据竞争, 则有可能出现反直觉的结果.

另一个例子如下, 最初 p == q 并且 p.x == 0. 这个程序也是不正确的, 因为它在不同的线程中读写共享变量, 并且不适用同步控制

Thread 1	Thread 2
`r1 = p;`	`r6 = p;`
`r2 = r1.x;`	`r6.x = 3;`
`r3 = q;`
`r4 = r3.x;`
`r5 = r1.x;`

这种情况下, 编译器可能将r2的值复用优化给r5, 变为如下

Thread 1	Thread 2
`r1 = p;`	`r6 = p;`
`r2 = r1.x;`	`r6.x = 3;`
`r3 = q;`
`r4 = r3.x;`
`r5 = r2;`

假设thread 2 的 r6.x=3 操作发生在 thread 1 的 r2=r1.x 和 r3=q 之间, 则最后的结果是 r2 == r5 == 0, r4 == 3, 从编程者的角度来看, p.x 的值从 0 变为 3, 又变回了 0

内存模型决定了在程序的任何位置什么值能被读取到.

2. 共享变量

可以被不同的线程共享的内存叫共享内存或堆内存, 所有的实例变量, 静态变量, 数组元素都存在对内存. 在这章里变量包括上述所有类型的变量. 下面提到的变量都是指这些变量

本地变量, 方法参数, 异常处理器参数不会被线程共享, 也不会受内存模型的影响.

如果不同线程对同一个共享变量的访问(读写)中含有写操作, 则这些访问是冲突的.

3. Actions

线程间行为(inter-thread action)指的是由一个线程执行, 但是可以被其他线程检测到或直接影响到的行为. 包括如下几种:

a. 读非volatile(非本地)变量

b. 写非volatile变量

c. 同步行为.

1) Volatile读

2) Volatile写

3) Lock 锁行为

4) UnLock 解锁行为

一个 Action 由 < t, k, v, u > 元组构成

a. t - 执行action的线程

b. k - action类型

c. v - action 中包含的变量或者monitor

对于Lock action, v 是被锁住的monitor; 对于 unlock action, v 是被解锁的monitor

如果action是读, 则v是被读得变量

如果action是写, 则v是被写的变量

d. u - 任意唯一action标识符

4. Synchronization Order

每次执行都有一个同步顺序, 同步顺序是一次执行中所有同步行为的总顺序. 对于同一个线程t来说, t内的同步行为的同步顺序跟t的程序顺序是一致的

同步行为包括 synchronized-with的关系, 如下:

a. 对monitor m 的unlock行为和lock行为是同步的

b. 对volatile变量v的写操作和任何线程对他的读操作是同步的

c. 线程的start操作和线程start时的第一个action同步

d. 变量的默认值写操作和线程中的第一个action同步

e. 线程T1的最后一个action和线程T2中用来检查T1是否终止的操作同步. 例如: T2 may accomplish this by calling T1.isAlive() or T1.join().

5. Happens-before Order

参考这个. http://www.iteye.com/topic/260515/ 写的不错