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Java 并發學習筆記總結

瀏覽:84日期:2022-09-05 16:10:20
并發

最近重新復習了一邊并發的知識,發現自己之前對于并發的了解只是皮毛。這里總結以下Java并發需要掌握的點。

使用并發的一個重要原因是提高執行效率。由于I/O等情況阻塞,單個任務并不能充分利用CPU時間。所以在單處理器的機器上也應該使用并發。為了實現并發,操作系統層面提供了多進程。但是進程的數量和開銷都有限制,并且多個進程之間的數據共享比較麻煩。另一種比較輕量的并發實現是使用線程,一個進程可以包含多個線程。線程在進程中沒有數量限制, 數據共享相對簡單。線程的支持跟語言是有關系的。Java 語言中支持多線程。

Java 中的多線程是搶占式的。這意味著一個任務隨時可能中斷并切換到其它任務。所以我們需要在代碼中足夠的謹慎,防范好這種切換帶來的副作用。

基礎

Runnable它可以理解成一個任務。它的run()方法就是任務的邏輯,執行順序。

Thread它是一個任務的載體,虛擬機通過它來分配任務執行的時間片。Thread中的start方法可以作為一個并發任務的入口。不通過start方法來執行任務,那么run方法就只是一個普通的方法

線程的狀態有四種:

NEW 線程創建的時候短暫的處于這種狀態。這種狀態下已經可以獲得CPU時間了,隨后可能進入RUNNABLE,BLOCKED狀態。RUNNABLE 此狀態下只要CPU將時間分配給線程,線程中的任務就可以執行。隨后可能進入BLOCKED,DEAD狀態。BLOCKED 線程可以運行,但是有某個條件阻止著它。當線程處于阻塞狀態時,CPU不會分配時間片給它,直到它重新進入RUNNABLE狀態。DEAD 此狀態的線程將永遠不會獲得CPU時間片。通常是因為run()方法返回才會到達此狀態。此時任務還是可以被中斷的。

Callable<T>它是一個帶返回的異步任務,返回的結果放到一個Future對象中。

Future<T>它可以接受Callable任務的返回結果。在任務沒有返回的時候調用get方法會阻塞當前線程。cancel方法會嘗試取消未完成的任務(未執行->直接不執行,已經完成->返回false,正在執行->嘗試中斷)。

FutureTask<T>同時繼承了Runnable, Callable 接口。

Java 1.5之后,不再推薦直接使用Thread對象作為任務的入口。推薦使用Executor管理Thread對象。Executor是線程與任務之間的的一個中間層,它屏蔽了線程的生命周期,不再需要顯式的管理線程。并且ThreadPoolExecutor 實現了此接口,我們可以通過它來利用線程池的優點。

線程池涉及到的類有:Executor,ExecutorService,ThreadExecutorPool,Executors,FixedThreadPool,CachedThreadPool,SingleThreadPool。

Executor只有一個方法,execute來提交一個任務

ExecutorService提供了管理異步任務的方法,也可以產生一個Future對象來跟蹤一個異步任務。

主要的方法如下:

submit可以提交一個任務shutdown可以拒絕接受新任務shutdownNow可以拒絕新任務并向正在執行的任務發出中斷信號invokeXXX批量執行任務

ThreadPoolExecutor線程池的具體實現類。線程池的好處在于提高效率,能避免頻繁申請/回收線程帶來的開銷。

它的使用方法復雜一些,構造線程池的可選參數有:

corePoolSize : int 工作的Worker的數量。maximumPoolSize : int 線程池中持有的Worker的最大數量keepAliveTime : long 當超過Workder的數量corePoolSize的時候,如果沒有新的任務提交,超過corePoolSize的Worker的最長等待時間。超過這個時間之后,一部分Worker將被回收。unit : TimeUnit keepAliveTime的單位workQueue : BlockingQueue 緩存任務的隊列, 這個隊列只緩存提交的Runnable任務。threadFactory : ThreadFactory 產生線程的“工廠”handler : RejectedExecutionHandler 當一個任務被提交的時候,如果所有Worker都在工作并且超過了緩存隊列的容量的時候。會交給這個Handler處理。Java 中提供了幾種默認的實現,AbortPolicy, CallerRunsPolicy, DiscardOldestPolicy, DiscardPolicy。

這里的Worker可以理解為一個線程。

這里之前想不通,覺得線程不可能重新利用綁定新任務。看了下源碼發現原來確實不是重新綁定任務。每一個Worker的核心部分只是一個循環,不斷從緩存隊列中取任務執行。這樣達到了重用的效果。

final void runWorker(Worker w) { Runnable task = w.firstTask; // ... try { while(task != null || (task=getTask())!=null) { try{task.run(); } catch(Exception e){ } // ... } } finally { // ... } // ... }

Executors類提供了幾種默認線程池的實現方式。

CachedThreadExecutor工作線程的數量沒有上限(Integer的最大值), 有需要就創建新線程。FixedThreadExecutor預先一次分配固定數量的線程,之后不再需要創建新線程。SingleThreadExecutor只有一個線程的線程池。如果提交了多個任務,那么這些人物將排隊,每個任務都在上一個人物執行完之后執行。所有任務都是按照它們的提交順序執行的。

sleep(long)當前線程 中止 一段時間。它不會釋放鎖。Java1.5之后提供了更加靈活的版本。

TimeUnit可以指定睡眠的時間單位。

優先級 絕大多數情況下我們都應該使用默認的優先級。不同的虛擬機中對應的優先級級別的總數,一般用三個就可以了MAX_PRIORITY,NORM_PRIORITY,MIN_PRIORITY。

讓步 Thread.yield()建議相同優先級的其它線程先運行,但是不保證一定運行其它線程。

后臺線程 一個進程中的所有非后臺線程都終止的時候整個進程也就終止,同時殺死所有后臺線程。與優先級沒有什么關系。

join() 線程 A 持有線程T,當在線程T調用T.join()之后,A會阻塞,直到T的任務結束。可以加一個超時參數,這樣在超時之后線程A可以放棄等待繼續執行任務。

捕獲異常 不能跨線程捕獲異常。比如說不能在main線程中添加try-catch塊來捕獲其它線程中拋出的異常。每一個Thread對象都可以設置一個UncaughtExceptionHandler對象來處理本線程中拋出的異常。線程池中可以通過參數ThreadFactory來為每一個線程設置一個UncaughtExceptionHandler對象。

訪問共享資源

在處理并發的時候,將變量設置為private非常的重要,這可以防止其它線程直接訪問變量。

synchronized修飾方法在不加參數情況下,使用對象本身作為鎖。靜態方法使用Class對象作為鎖。同一個任務可以多次獲得對象鎖。

顯式鎖 Lock,相比synchronized更加靈活。但是需要的代碼更多,編寫出錯的可能性也更高。只有在解決特殊問題或者提高效率的時候才用它。

原子性 原子操作就是永遠不會被線程切換中斷的操作。很多看似原子的操作都是非原子的,比如說long,double是由兩個byte表示的,它們的所有操作都是非原子的。所以,涉及到并發異常的地方都加上同步吧。除非你對虛擬機十分的了解。

volatile 這個關鍵字的作用在于防止多線程環境下讀取變量的臟數據。這個關鍵字在c語言中也有,作用是相同的。

原子類 AtomicXXX類,它們能夠保證對數據的操作是滿足原子性的。這些類可以用來優化多線程的執行效率,減少鎖的使用。然而,使用難度還是比較高的。

臨界區 synchronized關鍵字的用法。不是修飾整個方法,而是修飾一個代碼塊。它的作用在于盡量利用并發的效率,減少同步控制的區域。

ThreadLocal 這個概念與同步的概念不同。它是給每一個線程都創建一個變量的副本,并保持副本之間相互獨立,互不干擾。所以各個線程操作自己的副本,不會產生沖突。

終結任務

這里我講一下自己當前的理解。

一個線程不是可以隨便中斷的。即使我們給線程設置了中斷狀態,它也還是可以獲得CPU時間片的。只有因為sleep()方法而阻塞的線程可以立即收到InterruptedException異常,所以在sleep中斷任務的情況下可以直接使用try-catch跳出任務。其它情況下,均需要通過判斷線程狀態來判斷是否需要跳出任務(Thread.interrupted()方法)。

synchronized方法修飾的代碼不會在收到中斷信號后立即中斷。ReentrantLock鎖控制的同步代碼可以通過InterruptException中斷。

Thread.interrupted方法調用一次之后會立即清空中斷狀態。可以自己用變量保存狀態。

線程協作

wait/notifyAll wait/notifyAll是Object類中的方法。調用wait/notifyAll方法的對象是互斥對象。因為Java中所有的Object都可以做互斥量(synchronized關鍵字的參數),所以wait/notify方法是在Object類中的。

wait與sleep 不同在于sleep方法是Thread類中的方法,調用它的時候不會釋放鎖;wait方法是Object類中的方法,調用它的時候會釋放鎖。

調用wait方法之前,當前線程必須持有這段邏輯的鎖。否則會拋出異常,不能繼續執行。

wait方法可以將當前線程放入等待集合中,并釋放當前線程持有的鎖。此后,該線程不會接收到CPU的調度,并進入休眠狀態。有四種情況肯能打破這種狀態:

有其它線程在此互斥對象上調用了notify方法,并且剛好選中了這個線程被喚醒;有其它線程在此互斥對象上調用了notifyAll方法;其它線程向此線程發出了中斷信號;等待時間超過了參數設置的時間。

線程一旦被喚醒之后,它會像正常線程一樣等待之前持有的所有鎖。直到恢復到wait方法調用之前的狀態。

還有一種不常見的情況,spurious wakeup(虛假喚醒)。就是在沒有notify,notifyAll,interrupt的時候線程自動醒來。查了一些資料并沒有弄清楚是為什么。不過為了防止這種現象,我們要在wait的條件上加一層循環。

當一個線程調用wait方法之后,其它線程調用該線程的interrupt方法。該線程會喚醒,并嘗試恢復之前的狀態。當狀態恢復之后,該線程會拋出一個異常。

notify 喚醒一個等待此對象的線程。notifyAll 喚醒所有等待此對象的線程。

錯失的信號

當兩個線程使用notify/wait或者notifyAll/wait進行協作的時候,不恰當的使用它們可能會導致一些信號丟失。例子:

T1: synchronized(shareMonitor){ // set up condition for T2 shareMonitor.notify();}T2: while(someCondition){ // Point 1 synchronized(shareMonitor){shareMonitor.wait(); }}

信號丟失是這樣發生的:

當T2執行到Point1的時候,線程調度器將工作線程從T2切換到T1。T1完成T2條件的設置工作之后,線程調度器將工作線程從T1切換回T2。雖然T2線程等待的條件已經滿足,但還是會被掛起。

解決的方法比較簡單:

T2: synchronized(sharedMonitor) { while(someCondition) {sharedMonitor.wait(); }}

將競爭條件放到while循環的外面即可。在進入while循環之后,在沒有調用wait方法釋放鎖之前,將不會進入到T1線程造成信號丟失。

notify & notifyAll 前面已經提過這兩個方法的區別。notify是隨機喚醒一個等待此鎖的線程,notifyAll是喚醒所有等待此鎖的線程。

Condition 他是concurrent類庫中顯式的掛起/喚醒任務的工具。它是真正的鎖(Lock)對象產生的一個對象。其實用法跟wait/notify是一致的。await掛起任務,signalAll()喚醒任務。

生產者消費者隊列 Java中提供了一種非常簡便的容器,BlockingQueue。已經幫你寫好了阻塞式的隊列。

除了BlockingQueue,使用PipedWriter/PipedReader也可以方便的在線程之間傳遞數據。

死鎖

死鎖有四個必要條件,打破一個即可去除死鎖。

四個必要條件:

互斥條件。 互斥條件:一個資源每次只能被一個進程使用。請求與保持條件:一個線程因請求資源而阻塞時,對已獲得的資源保持不放。不剝奪條件:線程已獲得的資源,在末使用完之前,不能強行剝奪。循環等待條件:若干線程之間形成一種頭尾相接的循環等待資源關系。

本來自己翻譯,但發現百度上描述的更好一些,直接copy到這里來,并把進程換成了線程。

其它工具

CountDownLatch同步多個任務,強制等待其它任務完成。它有兩個重要方法countDown,await以及構造時傳入的參數SIZE。當一個線程調用await方法的時候會掛起,直到該對象收到SIZE次countDown。一個對象只能使用一次。

CyclicBarrier也是有一個SIZE參數。當有SIZE個線程調用await的時候,全部線程都會被喚醒。可以理解為所有運動員就位后才能起跑,早就位的運動員只能掛起等待。它可以重復利用。

DelayQueue一個無界的BlockingQueue,用來放置實現了Delay接口的對象,在隊列中的對象只有在到期之后才能被取走。如果沒有任何對象到期,就沒有頭元素。

PriorityBlockingQueue一種自帶優先級的阻塞式隊列。

ScheduledExecutor可以把它想象成一種線程池式的Timer, TimerTask。

Semaphore互斥鎖只允許一個線程訪問資源,但是Semaphore允許SIZE個線程同時訪問資源。

Exchanger生產者消費者問題的特殊版。兩個線程可以在都‘準備好了’之后交換一個對象的控制權。

ReadWriteLock讀寫鎖。 讀-讀不互斥,讀-寫互斥,寫-寫互斥。

文/于曉飛93原文:http://www.jianshu.com/p/cb1a23bc82d0
標簽: Java
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