首先线程是什么?线程是由OS抽象并实现的,我们知道OS的职责是管理并合理分配硬件资源,那么OS为了更好的管理、分配CPU资源,同时也为了满足同时执行任务这一需求,设计了线程这一概念。
虽然java程序运行在JVM虚拟机上,但是java的线程仍然是对操作系统原生线程的封装,同时,jvm对线程实现时也将jvm的运行栈设计成线程私有内存,因此,java线程和原生线程在理解上实际上没太大区别。
线程的五种状态:
graph LR
新建 --> 就绪;
就绪 --> 运行;
运行 --> 就绪;
运行 --> 阻塞;
阻塞 --> 就绪;
运行 --> 死亡;
先来看上面的就绪状态和运行状态。我们知道线程虽然宏观上是同时执行的,但是微观上使用如时间片轮转算法使得线程依次执行。那么,同一时间只有一个线程执行,其它需要执行的线程处于 就绪队列 中,等待自己被调度到。
而如果线程想要暂时放弃在CPU上运行的权利,就会阻塞自己。这时对应着阻塞状态,同时线程会从就绪队列中移除,进入等待队列。
很显然,阻塞线程被唤醒肯定是进入就绪队列等待调度,而不可能是直接分配到CPU上运行。
在线程同步时,线程可能由于以下情况被阻塞:
线程同步面临两个问题,想象下有两个线程在协作工作完成某项任务。那么需要解决以下问题:
在多线程程序的性能问题上,如果是对于同样一段临界区的多线程访问,那么则有以下几个思路:
以上三种思路的性能优劣没有一个普适的结果,和具体的场景相关。
并发中还会出现以下几种情况导致系统不可用:
并发编程中需要考虑的几个概念:
从我个人的理解来看,原子性属于由并发和线程这一理论概念自然而然推导衍生而来的概念,而可见性和有序性是具体的工程实践中产生的。
实际中,jvm并不能实现的特别完美,总会有工程上的妥协。理论模型与实际模型无法完美契合,总存在一定的偏差。
比如说,jvm为了向性能妥协使用了缓存机制,牺牲了数据一致性,这就产生了可见性的概念,需要程序员编程时自己控制。
jvm为了指令更高效率的执行进行了指令重排优化,则产生了有序性的问题。印象里以前大学里学过的CPU的流水线技术,为了指令能够更好的被CPU流水线利用,减少流水线的空闲时间,编译器编译时也会在不影响 串行语义 的前提下,进行指令重排。
总而言之,这是在性能和理论模型完整性之间的一种妥协。
技术上的工具、概念繁多复杂,但是如果我们能理解技术设计上无时无刻的不运用抽象和分层的手段,
那么,我们可以把技术上的工具分为两种:
更高层次的工具对基础工具进行了抽象和封装,屏蔽了其中的实现细节。
这里想强调的是,工具的接口和实现是分开的,两者可以没有关系。
如java的监视器锁从接口上来看,其语义和互斥锁一样。然而它并不一定使用互斥锁实现,而是可以为了性能存在优化,只要最终的行为与接口相同即可。
有三种用于线程同步的工具:
在java中,Object类有wait()、notify()和notifyAll()之类的方法。
这些方法可以认为每个对象都内置了一个条件变量,而这些方法是对这些条件变量的操作,因此,可以使用这些方法将对象当作条件变量使用,从而做到线程的同步。
底层机制的特点直接得到的:
1. java中的volatile关键字。2. CAS。
volatile关键字能够保证变量的可见性,或者说是读或写的原子性。
CAS即compareAndSwap,原子操作 。
CAS操作直接能够对应到单条CPU指令,因此天然具有原子性。java中是通过JNI调用C语言从而调用CPU底层指令实现。
CAS的行为和以下代码一致:
int cas(long *addr, long old, long new){
if (*addr == old) {
*addr = new;
return 1;
} else {
return 0; //* }
}
那么CAS可以做什么呢?很多乐观并发控制可以基于CAS实现。
比如说,通过一个标记变量来记录临界区被谁占有,线程进入临界区前不断的使用CAS操作判断标记变量是否为空同时将其记录为自己,来实现锁机制。这就是自旋锁的思路。
除此之外,乐观锁也能用CAS实现,比如java的Atomic系列,就是这样实现的。
前面说到可以认为每个对象内置一个条件变量,同样,每个对象也内置一个锁。这个内置锁在Java中被抽象为监视器锁(monitor)。
synchronized关键字的使用实际上就相当于使用监视器锁定义了一个临界区。使用这种语法也特别直观简单,所以java经常用synchronizd来进行线程的同步。
JDK1.6之后,为了提升监视器锁的性能,java通过某些手段进行了优化。其中包含锁优化机制,对应三种锁:
1. 偏向锁2. 轻量级锁3. 重量级锁
一开始只有一个线程使用线程时使用偏向锁,当存在多个线程使用时膨胀为轻量级锁,而出现比较多的线程竞争时再膨胀为重量级锁。
Vector
、 ConcurrentHashMap
等。ReentrantReadWriteLock
。其它:
为了表达某种锁的特点,也会有着很多的概念。
但是这种概念对应的不是某一种锁,而是一类拥有特定属性的锁。如:
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