Java笔记(十五) 并发包
并发包
Java中还有一套并发工具包,位于包java.util.concurrent下,里面包括很多易用
且很多高性能的并发开发工具。
一、原子变量和CAS
为什么需要原子变量,因为对于例如count++这种操作,使用
synchronized成本太高了。Java并发包的基本原子变量有:
AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomitLong和AtomicReference(原子引用类型)
一)AtomicInteger
1.用法
构造方法:
public AtomicInteger(int initialValue)
public AtomicInteger() //初始值为0
get/set方法:
public final int get()
public final void set(int newValue)
之所以称为原子变量,是因为它们包含一些以原子方式实现组合操作的方法。部分方法如下:
//以原子方式获取旧值并设置新值
public final int getAndSet(int newValue)
//以原子方式获取旧值并给当前值加一
public final int getAndIncrement()
//以原子方式获取旧值并给当前值减一
public final int getAndDecrement()
//以原子方式获取旧值并给当前值加delta
public final int getAndAdd(int delta)
//以原子方式给当前值加一并获取新值
public final int incrementAndGet()
//以原子方式给当前值减一并获取新值
public final int decrementAndGet()
//以原子方式给当前值加delta并获取新值
public final int addAndGet(int delta)
以上方法都依赖于方法:
/**
* @param expect 如果当前值等于expect,则更新当前值为update
* @param update 更新后的值
* @return 更新成功返回true,否则返回false
* */
public final boolean compareAndSet(int expect, int update)
compareAndSet是一个非常重要的方法,比较并设置,我们以后简称为CAS。
应用示例:
public class AtomicIntegerDemo {
private static AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
static class Vistor extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
counter.incrementAndGet();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
int num = 1000;
Thread[] threads = new Thread[num];
for (int i = 0; i < num; i++) {
threads[i] = new Vistor();
threads[i].start();
threads[i].join();
}
System.out.println(counter.get()); //
}
}
2.基本原理和思维
主要内部成员:
private volatile int value; //volatile可保证内存可见性
public final int incrementAndGet() {
for(;;) {
//获取当前值
int current = get();
//计算更新值
int next = current + 1;
//如果更新没有成功,说明value被别的线程改了,则再去取最新值
//并尝试更新直到成功为止
if(compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
原子变量的更新逻辑是非阻塞式,更新冲突的时候,它就重试,
不会阻塞,不会有上下文切换开销。对于大部分比较简单的操作,
这种方式性能都远高于使用阻塞的方式。
接下来是compareAndSet实现源代码:
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
其中usafe是sun.misc.Unsafe类型,定义为:
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
一般应用程序不应该直接使用。原理上,一般的计算机系统都在硬件层次上直接支持CAS指令,
Java的实现都会利用这些特殊的指令。
3.实现锁
基于CAS,除了可以实现乐观非阻塞外,还可以实现悲观阻塞式算法,比如锁。
实际上,Java并发包的所有阻塞式工具、容器、算法都是基于CAS的(不过,也需要一些别的支持)。
我们自己来实现一个简单的锁:
/**
* 一般而言这种阻塞方式过于消耗CPU,实际开发中应该使用并发包中的类
* 这里只是一个演示
*/
public class MyLock {
//status表示锁的状态,0表示未锁定,1表示锁定
private AtomicInteger status = new AtomicInteger(0);
public void lock() {
//更新成功后才退出
while (!status.compareAndSet(0, 1)){
Thread.yield();
}
}
public void unlock() {
status.compareAndSet(1, 0);
}
}
4.ABA问题
假设当前值为A,如果另一个线程先将A修改成B,再修改A,
当前线程的CAS操作无法分辨当前值发生变化。解决办法
是使用AtomicStampedReference,在修改值的同时附件一个时间戳,
只有值和时间戳都相同才能进行修改,其CAS声明方法为:
public boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp)
Pair pair = new Pair(100, 200);
int stamp = 1;
AtomicStampedReference<Pair> pairRef = new AtomicStampedReference<Pair>(pair, stamp);
int newStamp = 2;
pairRef.compareAndSet(pair, new Pair(200, 200), stamp, newStamp);
二、显式锁
Java并发包中的显式锁接口和类位于包java.util.concurrent.locks下,主要接口和类如下:
1)锁接口Lock,主要实现类是ReentrantLock;
2)读写锁和接口:ReadWriteLock,主要实现类是ReentrantReadWriteLock;
一)接口Lock
public interface Lock {
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
void unlock();
Condition newCondition();
}
1)lock()/unlock():获取锁和释放锁,lock会阻塞直到成功。
2)lockInterruptibly():与lock()不同的是,它可以响应中断,如果被其他线程中断了,则抛出InterruptedException.
3)tryLock():只是尝试获取锁,立即返回,不阻塞,如果成功,返回true,否则返回false。
4)tryLock(long time, TimeUnit unit):在限定时间内等待,如果成功返回true,否则阻塞,在等待同时响应中断,超出时间没有获得锁,抛出false。
5)newCondition():
二)可重入锁ReentrantLock
1.基本用法
该类方法lock()和unlock()实现了synchronized一样的语义,但:
1)可重入,一个线程在持有锁的情况下,可以继续获得该锁;
2)可以解决竞态条件问题;
3)可以保证内存可见性;
ReentrantLock有两个构造方法:
//默认为不公平锁
public ReentrantLock()
//设定true为公平锁
public ReentrantLock(boolean fair)
所谓公平是指,等待时间最长的线程优先获得锁。保证公平会英雄性能,一般也不需要,所以默认不保证。
public class Counter {
private final Lock lock = new ReentrantLock();
private volatile int count;
public void incr() {
lock.lock();
try {
count ++;
//注意一定不要忘记释放锁
} finally {
lock.unlock();
}
}
public int getCount() {
return count;
}
}
2.使用tryLock()避免死锁
在持有一个锁同时获取另一个锁而获取不到的时候,可以释放
已持有的锁,给其他线程获取锁的机会,然后重试获取所有锁。
账户之间转账的例子:
public class Account {
private Lock lock = new ReentrantLock();
private volatile double money;
public Account(double money) {
this.money = money;
}
public void add(double money) {
lock.lock();
try {
this.money += money;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void reduce(double money) {
lock.lock();
try {
this.money -= money;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public double getMoney() {return this.money;}
void lock() {
lock.lock();
} void unlock() {
lock.unlock();
} boolean tryLock() {
return lock.tryLock();
}
}
public class AccountManager {
public static class NoEnoughMoneyException extends Exception {}
//该方法问题:如果两个账户同时给对方转账,都先获得了第一个锁,则会发生死锁
public static void transfer(Account from, Account to, double money) throws NoEnoughMoneyException {
from.lock();
try {
to.lock();
try {
if (from.getMoney() >= money) {
from.reduce(money);
to.add(money);
} else {
System.out.println("The from account money is " + from.getMoney());
System.out.println("The money is " + money);
throw new NoEnoughMoneyException();
}
} finally {
to.unlock();
}
} finally {
from.unlock();
}
} //避免死锁的方法
public static boolean tryTransfer(Account from, Account to, double money) throws NoEnoughMoneyException {
if (from.tryLock()) {
try {
if (to.tryLock()) {
try {
if (from.getMoney() >= money) {
from.reduce(money);
to.add(money);
} else {
throw new NoEnoughMoneyException();
}
return true;
} finally {
to.unlock();
}
}
} finally {
from.unlock();
}
}
return false;
} //模拟账户转账的死锁过程
public static void simulateDeadLock() throws InterruptedException {
final int accountNum = 10;
final Account[] accounts = new Account[accountNum];
final Random random = new Random();
for (int i = 0; i < accountNum; i++) {
accounts[i] = new Account(random.nextInt(1000000));
System.out.println("account[" + i + "]" + accounts[i].getMoney());
} int threadNum = 100;
Thread[] threads = new Thread[threadNum];
for (int i = 0; i < threadNum; i++) {
threads[i] = new Thread() {
@Override
public void run() {
int loopNum = 100;
for (int k = 0; k < loopNum; k++) {
int i = random.nextInt(accountNum);
int j = random.nextInt(accountNum);
int money = random.nextInt(10);
if (i != j) {
try {
System.out.println( "Thread account[" + i + "]"+ accounts[i].getMoney());
//会发生死锁
transfer(accounts[i], accounts[j], money);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
};
threads[i].start();
}
} public static void main(String[] args) {
try {
simulateDeadLock();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
3.ReentrantLock的实现原理
在最底层,该类依赖于CAS方法,另外,它依赖于LockSupport的一些方法。
1)LockSupport
LockSupport类的基本方法:
//使当前线程放弃CPU,进入等待(WAITING)状态
public static void park()
//使指定线程恢复可运行状态
public static void unpark(Thread thread)
Thread t = new Thread(){
@Override
public void run() {
LockSupport.park();
System.out.println("exit");
}
};
t.start();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
LockSupport.unpark(t);
park不同于Thread.yield(),yield只是告诉操作系统可以先让其他线程运行,
但自己仍然是可运行状态。另外,park是响应中断的,当有中断发生时,park
会返回,线程的中断状态会被设置。另外,还需要说明的,park可能会无缘无故
地返回,程序应该重新检查park等待条件是否满足。park的两个变体:
//可指定最长等待时间,参数是相对于当前时间的纳秒数
public static void parkNanos(long nanos)
//指定最长等待到什么时候,参数是绝对时间
public static void parkUntil(long deadline)
当等待超时,它们也会返回。
也可以指定一个对象,表示是由于该对象而进行等待,以便调试:
public static void park(Object blocker)
返回一个线程的blocker对象:
public static Object getBlocker(Thread t)
2)AQS
Java提供了一个抽象类AbstractQueuedSynchronizer简称AQS,用于各种锁的代码复用。
AQS封装了一个状态,给子类提供查询和设置状态的方法:
private volatile int state;
protected final int getState()
protected final void setState(int newState)
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update)
用于实现锁时,AQS可以保存锁的当前持有线程,提供了方法进行查询和设置:
private transient Thread exclusiveOwnerThread();
protected final void setExclusiveOwnerThread(Thread t);
protected final Thread getExclusiveOwnerThread();
下面,我们以ReentrantLock的使用为例简要介绍AQS的原理:
ReentrantLock内部使用AQS,有三个内部类:
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer
//fair为false使用该类
static final class NonfairSync extends Sync
//fair为true时使用该类
static final class FairSync extends Sync
ReentrantLock内部有一个Sync成员:
private final Sync sync;
在构造方法中被赋值:
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync();
}
lock/unlock方法的实现:
public void lock() {
sync.lock();
}
sync默认类型是NonfairSync,NonfairSync的lock代码为:
final void lock() {
if(compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
ReentrantLock使用state表示是否被锁和持有数量,如果当前未被锁定,则立即获得锁,
否则调用acquire(1)获得锁。acquire()是AQS中的方法,代码为:
public final void acquire(int arg) {
if(!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt();
}
它调用tryAcquire()获取锁,tryAcquire必须被子类重写。NofairSync的实现为:
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
//如果未被锁定,则进行锁定
if(c == 0) {
if(compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
//如果已经锁定,增加锁定次数,这里state存放了锁定次数
else if(current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if(nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
如果tryAcquire()返回false,则AQS会调用:
//addWaiter()会新建一个节点Node,代表当前线程,然后加入内部等待队列
//放入等待队列后,调用acquireQueued尝试获得锁
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for(;;) {
//首先检查当前节点是不是第一个等待节点
//如果是且能得到锁则将当前节点从等待队列中移除并返回
final Node p = node.predecessor();
if(p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
//否则最终调用LockSupport.park放弃CPU,进入等待,
//被唤醒后检查是否中断,记录中断标志
if(shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if(failed)
cancelAcquire(node);
}
}
private static void selfInterrupt() {
Thread.currentThread().interrupt();
}
总结lock方法的基本过程:能获得锁就立即获得,否则加入等待队列,被唤醒后检查
自己是否是第一个等待的线程,如果是且能获得锁,则返回,否则继续等待。这个过程
如果发生了中断,lock会记录中断标志位,但不会提前返回或抛出异常。
ReentrantLock的unlock代码为:
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
//tryRelease会修改状态释放锁
if(tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if(h != null && h.waitStatus != 0)
//会调用LockSupport.unpark将第一个等待的线程唤醒
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
4.对比ReentrantLock和synchronized
相比synchronized,ReentrantLock,支持以非阻塞方式获取锁,
可以响应中断,可以限时,更为灵活。不过synchronized使用更简单
性能通常更好,总之能用synchronized就不要用ReentrantLock。
三、显式条件
1.用法
锁用于解决竞态条件问题,条件是线程间的协作机制。显式锁与synchronized相对应,
而显式条件与wait/notify相对应。显式锁与显式条件配合使用。Lock接口中定义的创建
显示条件的方法:
Condition newCondition();
Condition接口:
public interface Condition {
//对应于Object的wait
void await() throws InterruptedException;
//不响应中断的等待,该方法不会由于中断结束,但当它返回时
//如果等待过程中发生中断,中断标志会被设置
void awaitUninterruptibly();
//等待相对时间,单位纳秒
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
//等待相对时间
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
//等待绝对时间
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
//对应于notify
void signal();
void signalAll();
}
与Object的wait方法一样,调用await方法前先要索取锁,如果没有锁会抛出异常。
当await在进入等待队列后,会释放锁,释放CPU,当其他线程唤醒它后,或等待
超时后,或发生中断异常后,它都需要重新获取锁,获取锁后,才会从await方法中退出。
另外,与Object的wait方法一样,await返回后就不一定代表等待的条件就满足了,
通常要将await的调用放到一个循环内,只有条件满足后才退出。示例:
public class WaitThread extends Thread{
private volatile boolean fire = false;
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition condition = lock.newCondition();
@Override
public void run() {
try {
lock.lock();
try {
while (!fire){
condition.await();
}
} finally {
lock.unlock();
}
System.out.println("fired");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
public void fire() {
lock.lock();
try {
this.fire = true;
condition.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
WaitThread waitThread = new WaitThread();
waitThread.start();
Thread.sleep(1000);
System.out.println("fire");
waitThread.fire();
}
}
2.生产者/消费者模式
在使用wait/notify实现生产者/消费者的时候有一个局限就是只能有一个条件队列,
而使用显式锁和条件不存在这个问题,例如:
public class MyBlockingQueue<E> {
private Queue<E> queue = null;
private int limit;
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition notFull = lock.newCondition();
private Condition notEmpty = lock.newCondition(); public MyBlockingQueue(int limit) {
this.limit = limit;
queue = new ArrayDeque<E>(limit);
} public void put(E e) throws InterruptedException {
lock.lockInterruptibly();
try {
while (queue.size() == limit) {
notFull.await();
}
queue.add(e);
notEmpty.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
} public E take() throws InterruptedException {
lock.lockInterruptibly();
try {
while (queue.isEmpty()) {
notEmpty.await();
}
E e = queue.poll();
notFull.signal();
return e;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
3.实现原理
ReentrantLock的newCondition():
public Condition newCondition() {
return sync.newCondition();
}
sync的newCondition方法:
final ConditionObject newCondition() {
return new ConditionObject();
}
ConditionObject是AQS的一个内部类,其内部有一个队列,
表示条件等待队列,其成员声明:
//条件队列的头节点
private transient Node firstWaiter;
//条件队列的尾节点
private transient Node lastWaiter;
public final void await() throws InterruptedException {
//如果等待前中断标志位已经被设置,直接抛异常
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
//1.为当前进程创建节点,加入条件等待队列
Node node = addConditionWaiter();
//2.释放持有的锁
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
//3.放弃CPU进行等待,直到被中断或isOnSyncQueue变为true
//isOnSyncQueue,表示该节点被其他线程从条件等待队列
//移到了外部锁等待队列,等待的条件已经满足
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
//重新获取锁
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
Java笔记(十五) 并发包的更多相关文章
- Java笔记(十五)……面向对象IV多态(polymorphism)
概述 定义:某一类事物的多种存在形态. 例:动物中猫,狗. 猫这个对象对应的类型是猫类型 猫 x = new 猫(); 同时猫也是动物中的一种,也可以把猫称为动物. 动物 y = new 猫(); 动 ...
- python3.4学习笔记(十五) 字符串操作(string替换、删除、截取、复制、连接、比较、查找、包含、大小写转换、分割等)
python3.4学习笔记(十五) 字符串操作(string替换.删除.截取.复制.连接.比较.查找.包含.大小写转换.分割等) python print 不换行(在后面加上,end=''),prin ...
- “全栈2019”Java第九十五章:方法中可以定义静态局部内部类吗?
难度 初级 学习时间 10分钟 适合人群 零基础 开发语言 Java 开发环境 JDK v11 IntelliJ IDEA v2018.3 文章原文链接 "全栈2019"Java第 ...
- “全栈2019”Java第十五章:Unicode与转义字符
难度 初级 学习时间 10分钟 适合人群 零基础 开发语言 Java 开发环境 JDK v11 IntelliJ IDEA v2018.3 文章原文链接 "全栈2019"Java第 ...
- “全栈2019”Java第二十五章:流程控制语句中循环语句while
难度 初级 学习时间 10分钟 适合人群 零基础 开发语言 Java 开发环境 JDK v11 IntelliJ IDEA v2018.3 文章原文链接 "全栈2019"Java第 ...
- (C/C++学习笔记) 十五. 构造数据类型
十五. 构造数据类型 ● 构造数据类型概念 Structured data types 构造数据类型 结构体(structure), 联合体/共用体 (union), 枚举类型(enumeration ...
- Java学习笔记十五:Java中的成员变量和局部变量
Java中的成员变量和局部变量 一:成员变量: 成员变量在类中定义,用来描述对象将要有什么 成员变量可以被本类的方法使用,也可以被其他类的方法使用,成员变量的作用域在整个类内部都是可见的 二:局部变量 ...
- Java基础学习笔记十五 集合、迭代器、泛型
Collection 集合,集合是java中提供的一种容器,可以用来存储多个数据. 在前面的学习中,我们知道数据多了,可以使用数组存放或者使用ArrayList集合进行存放数据.那么,集合和数组既然都 ...
- Java 读书笔记 (十五) Java 异常处理
捕获异常 使用try 和catch关键字可以捕获异常.try/catch 代码块放在异常可能发生的地方. try/catch 代码块中的代码称为保护代码 ,使用try/catch的语法如下: try ...
- 云时代架构阅读笔记十五——之前碰到的Java面试题
1.一个".java"源文件中是否可以包括多个类(不是内部类)?有什么限制? 可以有多个类,但只能有一个public的类,并且public的类名必须与文件名相一致. 2.Java有 ...
随机推荐
- C++中explicit关键字的作用 (转)
explicit用来防止由构造函数定义的隐式转换. 要明白它的作用,首先要了解隐式转换:可以用单个实参来调用的构造函数定义了从形参类型到该类类型的一个隐式转换. 例如: class things { ...
- 论文阅读笔记二十九:SSD: Single Shot MultiBox Detector(ECCV2016)
论文源址:https://arxiv.org/abs/1512.02325 tensorflow代码:https://github.com/balancap/SSD-Tensorflow 摘要 SSD ...
- 华硕X75VB安装ubuntu12.10网卡不可用等相关问题总结
笔记本相关信息: 电脑型号:华硕X75VB 笔记本电脑 处理器:i5-3230M 2.60GHz 双核 主板:华硕X75VB (英特尔 Ivy Bridge - HM76 Express芯片组) 内存 ...
- 读C#开发实战1200例子记录-2017年8月14日11:20:38获取汉字编码值
try { char chr = textBox1.Text[0]; byte[] gb2312_bt = Encoding.GetEncoding("gb2312").GetBy ...
- WCF 寄宿Windows以及控制台启动
一:添加windows服务 二:修改XXXInstaller1的StartType=Automatic,修改ProcessInstaller1的Account=LocalSystem 三:在progr ...
- 深入了解Cookie
1.Cookie是什么 1.由于http是无状态的协议,一旦客户端和服务器的数据交换完毕,就会断开连接,再次请求,会重新连接,无法存储数据.2.Cookie的出现是为了下次链接时,你之前存储了哪些数据 ...
- Win8.1 查看 “Windows 体验指数“
啥是 Windows 体验指数 ? 引用MS的介绍: http://windows.microsoft.com/zh-cn/windows7/products/features/windows-exp ...
- asp.net core 创建允许跨域请求的api, cors.
配置应用方域名. 在webapi中引用cors包,在startup的Configure\ConfigServices中增加启动项配置,在api中增加EnableCors的Attribute属性.即可. ...
- Java基础知识➣网络Socket(六)
概述 网络编程是指编写运行在多个设备(计算机)的程序,这些设备都通过网络连接起来. java.net 包中提供了两种常见的网络协议的支持: TCP:TCP 是传输控制协议的缩写,它保障了两个应用程序之 ...
- jenkins X实践系列(3) —— jenkins X 安装拾遗
jx是云原生CICD,devops的一个最佳实践之一,目前在快速的发展成熟中.最近调研了JX,这里为第3篇,介绍下如何安装jenkins x. 前置条件 安装K8S 安装ceph集群(jx需要stor ...