JUC (Java Util Concurrency) 基础内容概述

2013/07/24 13:29
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转自:http://www.goldendoc.org/2011/05/juc/

1. JUC概况

以下是Java JUC包的主体结构:

  • Atomic : AtomicInteger
  • Locks : Lock, Condition, ReadWriteLock
  • Collections : Queue, ConcurrentMap
  • Executer : Future, Callable, Executor
  • Tools : CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore

2. 原子操作

多个线程执行一个操作时,其中任何一个线程要么完全执行完此操作,要么没有执行此操作的任何步骤,那么这个操作就是原子的。出现原因: synchronized的代价比较高。

以下以AtomicInteger为例:

  • int addAndGet(int delta):以原子方式将给定值与当前值相加。 实际上就是等于线程安全版本的i =i+delta操作。
  • boolean compareAndSet(int expect, int update):如果当前值 == 预期值,则以原子方式将该值设置为给定的更新值。 如果成功就返回true,否则返回false,并且不修改原值。
  • int decrementAndGet():以原子方式将当前值减 1。 相当于线程安全版本的–i操作。
  • int getAndAdd(int delta):以原子方式将给定值与当前值相加。 相当于线程安全版本的t=i;i+=delta;return t;操作。
  • int getAndDecrement():以原子方式将当前值减 1。 相当于线程安全版本的i–操作。
  • int getAndIncrement():以原子方式将当前值加 1。 相当于线程安全版本的i++操作。
  • int getAndSet(int newValue):以原子方式设置为给定值,并返回旧值。 相当于线程安全版本的t=i;i=newValue;return t;操作。
  • int incrementAndGet():以原子方式将当前值加 1。 相当于线程安全版本的++i操作。

3. 指令重排

你的程序并不能总是保证符合CPU处理的特性。

要程序的最终结果等同于它在严格的顺序化环境下的结果,那么指令的执行顺序就可能与代码的顺序不一致。

多核CPU,大压力下,两个线程交替执行,x,y输出结果不确定。可能结果:

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3
4
x =0, y =1
x =1, y =1
x =1, y =0
x =0, y =0

4. Happens-before法则:(Java 内存模型)

如果动作B要看到动作A的执行结果(无论A/B是否在同一个线程里面执行),那么A/B就需要满足happens-before关系。

Happens-before的几个规则:

  • Program order rule:同一个线程中的每个Action都happens-before于出现在其后的任何一个Action。
  • Monitor lock rule:对一个监视器的解锁happens-before于每一个后续对同一个监视器的加锁。
  • Volatile variable rule:对volatile字段的写入操作happens-before于每一个后续的同一个字段的读操作。
  • Thread start rule:Thread.start()的调用会happens-before于启动线程里面的动作。
  • Thread termination rule:Thread中的所有动作都happens-before于其他线程检查到此线程结束或者Thread.join()中返回或者Thread.isAlive()==false。
  • Interruption rule:一个线程A调用另一个另一个线程B的interrupt()都happens-before于线程A发现B被A中断(B抛出异常或者A检测到B的isInterrupted()或者interrupted())。
  • Finalizer rule:一个对象构造函数的结束happens-before与该对象的finalizer的开始
  • Transitivity:如果A动作happens-before于B动作,而B动作happens-before与C动作,那么A动作happens-before于C动作。
    因为CPU是可以不按我们写代码的顺序执行内存的存取过程的,也就是指令会乱序或并行运行, 只有上面的happens-before所规定的情况下,才保证顺序性。

JMM的特性:

多个CPU之间的缓存也不保证实时同步;
JMM不保证创建过程的原子性,读写并发时,可能看到不完整的对象。(so D-check)

volatile语义:

volatile实现了类似synchronized的语义,却又没有锁机制。它确保对  volatile字段的更新以可预见的方式告知其他的线程。

  1. Java 存储模型不会对volatile指令的操作进行重排序:这个保证对volatile变量的操作时按照指令的出现顺序执行的。
  2. volatile变量不会被缓存在寄存器中(只有拥有线程可见),每次总是从主存中读取volatile变量的结果。

ps:volatile并不能保证线程安全的,也就是说volatile字段的操作不是原子性的,volatile变量只能保证可见性。

5. CAS操作

Compare and Swap

CAS有3个操作数,内存值V,旧的预期值A,要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时,将内存值V修改为B,否则什么都不做。

实现简单的非阻塞算法:

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privatevolatileintvalue;// 借助volatile原语,保证线程间的数据是可见的
 
publicfinalintget() {
    returnvalue;
}
 
publicfinalintincrementAndGet() {
    for(;;) {
        intcurrent = get();
        intnext = current +1;
        if(compareAndSet(current, next))
            returnnext;
    }//Spin自旋等待直到返为止置
}

整个J.U.C都是建立在CAS之上的,对于synchronized阻塞算法,J.U.C在性能上有了很大的提升。会出现所谓的“ABA”问题

6. Lock 锁

Synchronized属于独占锁,高并发时性能不高,JDK5以后开始用JNI实现更高效的锁操作。

Lock—->

ReentrantLock—->

ReentrantReadWriteLock.ReadLock / ReentrantReadWriteLock.writeLock

ReadWriteLock—-> ReentrantReadWriteLock

LockSupport

Condition

方法名称 作用
void lock() 获取锁。如果锁不可用,出于线程调度目的,将禁用当前线程,并且在获得锁之前,该线程将一直处于休眠状态。
void lockInterruptibly() throws InterruptedException; 如果当前线程未被中断,则获取锁。如果锁可用,则获取锁,并立即返回。
Condition newCondition(); 返回绑定到此 Lock 实例的新 Condition
实例
boolean tryLock(); 仅在调用时锁为空闲状态才获取该锁
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; 如果锁在给定的等待时间内空闲,并且当前线程未被中断,则获取锁
void unlock(); 释放锁

PS : 一般来说,获取锁和释放锁是成对儿的操作,这样可以避免死锁和资源的浪费。

注:在 finally 里面做释放锁的操作

7. AQS

锁机制实现的核心所在。AbstractQueuedSynchronizer是Lock/Executor实现的前提。

AQS实现:

基本的思想是表现为一个同步器,AQS支持下面两个操作:

acquire:

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while(synchronization state does not allow acquire){
    enqueue current threadifnot already queued;
    possibly block current thread;
}
dequeue current threadifit was queued;

release:

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update synchronization state;
if(state may permit a blocked thread to acquire)
    unlock one or more queued threads;

要支持这两个操作,需要实现的三个条件:

  • Atomically managing synchronization state(原子性操作同步器的状态位)
  • Blocking and unblocking threads(阻塞和唤醒线程)
  • Maintaining queues(维护一个有序的队列)
Atomically managing synchronization state

使用一个32位整数来描述状态位:private volatile int state; 对其进行CAS操作,确保值的正确性。

Blocking and unblocking threads

JDK 5.0以后利用JNI在LockSupport类中实现了线程的阻塞和唤醒。

LockSupport.park() //在当前线程中调用,导致线程阻塞
LockSupport.park(Object)
LockSupport.unpark(Thread)

Maintaining queues

在AQS中采用CHL列表来解决有序的队列的问题。(CHL= Craig, Landin, and Hagersten)

Node里面是什么结构?

WaitStatus –>节点的等待状态,一个节点可能位于以下几种状态:

  • CANCELLED = 1: 节点操作因为超时或者对应的线程被interrupt。节点不应该不留在此状态,一旦达到此状态将从CHL队列中踢出。
  • SIGNAL = -1: 节点的继任节点是(或者将要成为)BLOCKED状态(例如通过LockSupport.park()操作),因此一个节点一旦被释放(解锁)或者取消就需要唤醒(LockSupport.unpack())它的继任节点。
  • CONDITION = -2:表明节点对应的线程因为不满足一个条件(Condition)而被阻塞。
  • 0: 正常状态,新生的非CONDITION节点都是此状态。

非负值标识节点不需要被通知(唤醒)。
队列管理操作:

入队enqueue:

采用CAS操作,每次比较尾结点是否一致,然后插入的到尾结点中。

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do{
    pred = tail;
}while( !compareAndSet(pred,tail,node) );

出队dequeue:

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while(pred.status != RELEASED) ;
    head  = node;

加锁操作:

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public final void acquire(intarg) {
    if(!tryAcquire(arg))
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
    selfInterrupt();
}

释放操作:

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public final boolean release(intarg) {
    if(tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if(h !=null && h.waitStatus !=0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

The synchronizer framework provides a ConditionObject class for use by synchronizers that maintain exclusivesynchronization and conform to the Lock interface.     —— Doug Lea《 The java.util.concurrent Synchronizer Framework 》

以下是AQS队列和Condition队列的出入结点的示意图,可以通过这几张图看出线程结点在两个队列中的出入关系和条件。

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