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Java并行程序基础 --- 多线程及容错性处理

大海201506
 大海201506
发布于 2017/05/10 18:32
字数 2402
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1. Java中提供的多线程编程手段

1.1 JDK5之前

  • 只有synchronized一种

1.2 JDK5到现在:

  • Atomic
  • Lock
  • AtomicStampedReference
  • ReentrantLock

2 多线程编程容易产生的问题

2.1 共享状态

大家都知道,计算机在执行程序时,每条指令都是在CPU中执行的,而执行指令过程中,势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存(物理内存)当中的,这时就存在一个问题,由于CPU执行速度很快,而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟CPU比起来要慢的多,因此如果任何时间对数据的操作都要通过和内存的交互来进行,会大大降低指令执行的速度。因此在CPU里面就有了高速缓存

也就是,当程序在运行过程中,会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中,那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据,当运算结束后,再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。举个简单的例子,比如下面的这段代码:

i=i+1

当线程执行这个语句时,会先从主存当中读取i的值,然后复制一份到高速缓存当中,然后CPU执行指令对i进行加1操作,然后将数据写入高速缓存,最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。

这个代码在单线程中运行是没有任何问题的,但是在多线程中运行就会有问题了。在多核CPU中,每条线程可以运行于不同的CPU中,因此每个线程运行时有自己的高速缓存(对单核CPU来说,其实也会出现这种问题。只不过是以线程调度的形式来分别执行的)。本文我们以多核CU为例。

下图中,线程1和线程2共享i,并同时对i进行i++操作,可能存在这种情况,最终结果i的值是1,而不是2。这就是著名的缓存一致性问题。

为了解决缓存不一致问题,通常来说有以下2种解决方法:

  • 通过在总线加Lock#锁的方式
  • 通过缓存一致性协议

这两种方式都是硬件层面上提供的方式。

在早期的CPU当中,是通过在总线加Lock#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的,如果对总线加Lock#锁的话,也就是说阻塞了其他CPU对其他部件访问(如内存),从而使得只有一个CPU能使用这个变量的内存。比如上面例子中,如果一个线程在执行i=i+1过程中,在总线上发出了LOCK#锁的信号,那么只有等待这段代码完全执行完毕之后,其他CPU才能从变量i所在的内存读取变量。这样就解决了缓存不一致的问题。

但是上面的方式会有一个问题,由于在锁定总线期间,其他CPU无法访问内存,容易导致以下的Starvation(饥饿)和DeadLock(死锁)问题。

所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel的MESI协议,MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它的核心思想是:当CPU写数据时,如果发现操作的变量是共享变量,即在其他CPU中也存在该变量的副本,会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态,因此当其他CPU需要读取这个变量时,发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的,那么它就会从内存中重新读取。

2.2 Starvation(饥饿)

  • 高优先级的线程可能会占用所有CPU资源使得低优先级线程无法运行
  • 线程可能因为其他线程的竞争而无法进入一个同步块
  • Notify方法唤醒的总是其他线程以至于等待线程总是在sleep状态

2.3 DeadLock(死锁)

线程1锁定A,尔后尝试锁定B,线程2锁定B,尔后尝试锁定A,造成两个线程同时等待对方释放锁,进入死锁状态。

总结:多线程编程容易产生问题的根本原因在于锁

3. 锁的不同类型(详情请看《锁优化的思路和方法》的第二部分)

3.1 偏向锁

3.2 轻量级锁

3.3 自旋锁(Spinlock)

不用切换至内核态,可能会更高效

3.4 互斥锁(Mutex)或信号量

不占用CPU资源
会切换至内核态

4. Volatile

  • 一个线程写,另外一个线程读取,可以保证共享变量的可见性
  • 当两个线程同时读写共享变量,Volatile无效
  • Volatile的读写会引起缓存内容失效,造成每一次读写均需要从主内存读取。因此性能会受到影响

4.1 正确使用volatile

你只能在有限的一些情形下使用volatile变量替代锁。要是volatile变量提供理想的线程安全,必须同时满足下面两个条件:

  • 对变量的写操作不依赖于当前值。
  • 对变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

实际上,这些条件表明,volatile变量不能用作线程安全计数器。虽然增量操作(x++)看起来类似一个单独操作,实际上它是一个有读取-修改-写入操作序列组成的组合操作必须以原子方式执行,而volatile不能提供必须的原子性操作。

简单局其中使用一例:状态标志

也许实现volatile变量的规范使用仅仅是使用一个boolean状态标志,用于指示发生了一个重要的一次性时间,例如完成初始化或请求停机。

很多应用程序包含了一种控制结构,形式为"在还没有准备好停止程序时再执行一些工作"。如以下代码所示,将volatile变量作为状态标志使用:

volatile boolean shutdownRequested;

...

public void shutdown() { shutdownRequested = true; }

public void doWork() { 
    while (!shutdownRequested) { 
        // do stuff
    }
}

很可能会从循环外部调用shutdown()方法 -- 即在另一个线程中 -- 因此,需要执行某种同步来确保正确实现shutdownRequested变量的可见性。相对于synchronized,这里非常适合使用volatile。

5. 互斥锁和信号量

  • Java中的互斥锁是synchronized或者Lock,而信号量是Semaphore。
  • 互斥锁可以看作是信号量的一个特例:可以把互斥锁比作家里的卫生间,每次只能一个人进入,信号量比作是公共卫生间,有几个隔间就可以进入。
  • Synchronized是reentrant(可重入)的,即两个对同一个变量synchronized的方法a、b,一个线程可以在a内进入b。
  • Lock不是reentrant的,如果需要reentrancy,使用ReentrantLock。
  • Semaphore没有reentrancy的概念,Semaphore只关心还有多少空间,不论当前线程是否已经占有了空间,只要当前线程进入Semaphore,就会造成Semaphore的计数-1。
  •  
  • Java除有锁编程之外,同时支持原子变量,即本人另一篇博客《Java并行程序基础 --- 无锁》的内容。
  • 原子变量是无锁编程,可以看作是volatile的扩展
  • 原子变量在volatile的基础上,保证了对CAS(compare and swap)操作的支持,允许多个线程对同一个原子变量读写操作。
  • 原子变量不能保证ABA问题,即一个变量的原始值为A,被修改为B,后又被修改为A,这时其他线程无法得知当前的A其实是经过两次修改后的值
  • 对于ABA问题,可以加入版本号,通过AtomicStampedReference支持。

总结:

  • 根据前面讲述的多线程编程技巧,我们能够通过无锁编程解决共享变量的问题,但是无锁编程需要比有锁编程更高的技巧,使得程序更加复杂,同时一旦发生多线程引起的问题,更加难以排查。
  • 而有锁编程引入了deadlocl和starvation的问题

那么如何解决starvation的问题?

引入公平锁

  • 由于公平锁加入了更加复杂的上锁机制,以及保证了每次唤醒的均是不同的线程,所以公平锁的效率比普通的锁更低(但是会高于直接的synchronized)。
  • 通过公平锁可以避免由于线程始终不被唤醒造成的starvation,但是无法避免其他两种情况造成的starvation。
  • 所以最好的多线程编程,其实是不上锁,而两个高效的使用多线程的处理框架Disruptor以及Akka,均采用了不上锁的方式,尽管方法不同。
     

参考:http://www.importnew.com/18126.html

参考:http://www.cnblogs.com/shangxiaofei/p/5564047.html

参考:炼数成金--多线程及容错性处理

© 著作权归作者所有

大海201506
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