聊聊圖解多線(xiàn)程
進(jìn)程與線(xiàn)程
「進(jìn)程」
進(jìn)程的本質(zhì)是一個(gè)正在執(zhí)行的程序，程序運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，并且「給每個(gè)進(jìn)程分配獨(dú)立的內(nèi)存地址空間，用來(lái)保證每個(gè)進(jìn)程地址不會(huì)相互干擾」。
同時(shí)，在 CPU 對(duì)進(jìn)程做時(shí)間片的切換時(shí)，保證進(jìn)程切換過(guò)程中仍然要從進(jìn)程切換之前運(yùn)行的位置處開(kāi)始執(zhí)行。所以進(jìn)程通常還會(huì)包括程序計(jì)數(shù)器、堆棧指針。
相對(duì)好理解點(diǎn)的案例：電腦上開(kāi)啟QQ就是開(kāi)啟一個(gè)進(jìn)程、打開(kāi)IDEA就是開(kāi)啟一個(gè)進(jìn)程、打開(kāi)瀏覽器就是開(kāi)啟一個(gè)進(jìn)程.....
當(dāng)我們的電腦開(kāi)啟你太多的運(yùn)用(QQ，微信，瀏覽器、PDF、word、IDEA等)后，電腦就很容易出現(xiàn)卡頓，甚至死機(jī)，這里最主要原因就是CPU一直不停地切換導(dǎo)致的。
下圖是單核CPU情況下，多進(jìn)程之間的切換：
有了進(jìn)程以后，可以讓操作系統(tǒng)從宏觀層面實(shí)現(xiàn)多應(yīng)用并發(fā)。
而并發(fā)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò) CPU 時(shí)間片不端切換執(zhí)行的，對(duì)于單核 CPU來(lái)說(shuō)，在任意一個(gè)時(shí)刻只會(huì)有一個(gè)進(jìn)程在被CPU 調(diào)度。
線(xiàn)程的生命周期
既然是生命周期，那么就很有可能會(huì)有階段性的或者狀態(tài)的，比如人的一生一樣：
精子和卵子結(jié)合---> 嬰兒---> 小孩--> 成年--> 中年--> 老年-->去世
線(xiàn)程狀態(tài)
關(guān)于線(xiàn)程的生命周期網(wǎng)上有不一樣的答案，有說(shuō)五種也有說(shuō)六種。
Java中線(xiàn)程確實(shí)有6種，這是有理有據(jù)的，可以看看java.lang.Thread類(lèi)中有個(gè)這么一個(gè)枚舉。
- public enum State {
- NEW,
- RUNNABLE,
- BLOCKED,
- WAITING,
- TIMED_WAITING,
- TERMINATED;
- }
這就是Java線(xiàn)程對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，組合起來(lái)就是Java中一個(gè)線(xiàn)程的生命周期。下面是這個(gè)枚舉的注釋?zhuān)?/p>
每種狀態(tài)簡(jiǎn)單說(shuō)明：
- NEW(初始)：線(xiàn)程被創(chuàng)建后尚未啟動(dòng)。
- RUNNABLE(運(yùn)行)：包括了操作系統(tǒng)線(xiàn)程狀態(tài)中的Running和Ready，也就是處于此狀態(tài)的線(xiàn)程可能正在運(yùn)行，也可能正在等待系統(tǒng)資源，如等待CPU為它分配時(shí)間片。
- BLOCKED(阻塞)：線(xiàn)程阻塞于鎖。
- WAITING(等待)：線(xiàn)程需要等待其他線(xiàn)程做出一些特定動(dòng)作(通知或中斷)。
- TIME_WAITING(超時(shí)等待)：該狀態(tài)不同于WAITING，它可以在指定的時(shí)間內(nèi)自行返回。
- TERMINATED(終止)：該線(xiàn)程已經(jīng)執(zhí)行完畢。
線(xiàn)程生命周期
借用網(wǎng)上的這張圖，這張圖描述的很清楚了，這里就不在啰嗦。
何為線(xiàn)程安全?
我們經(jīng)常會(huì)聽(tīng)說(shuō)某個(gè)類(lèi)是線(xiàn)程安全，某個(gè)類(lèi)不是線(xiàn)程安全的。那么究竟什么叫做線(xiàn)程安全呢?
我們引用《Java Concurrency in Practice》里面的定義：
在不使用額外同步的情況下，多個(gè)線(xiàn)程訪問(wèn)一個(gè)對(duì)象時(shí)，不論線(xiàn)程之間如何交替執(zhí)行或者在調(diào)用方進(jìn)行任何其它的協(xié)調(diào)操作，調(diào)用這個(gè)對(duì)象的行為都能得到正確的結(jié)果，那么這個(gè)對(duì)象是線(xiàn)程安全的。
也可以這么理解：
多個(gè)線(xiàn)程訪問(wèn)同一個(gè)對(duì)象時(shí)，如果不用考慮這些線(xiàn)程在運(yùn)行時(shí)環(huán)境下的調(diào)度和交替執(zhí)行，也不需要進(jìn)行額外的同步，或者在調(diào)用方進(jìn)行任何其他操作，調(diào)用這個(gè)對(duì)象的行為都可以獲得正確的結(jié)果，那么這個(gè)對(duì)象就是線(xiàn)程安全的。或者說(shuō)：一個(gè)類(lèi)或者程序所提供的接口對(duì)于線(xiàn)程來(lái)說(shuō)是原子操作或者多個(gè)線(xiàn)程之間的切換不會(huì)導(dǎo)致該接口的執(zhí)行結(jié)果存在二義性，也就是說(shuō)我們不用考慮同步的問(wèn)題。
可以簡(jiǎn)單的理解為：“你隨便怎么調(diào)用，出了問(wèn)題算我輸”。
這個(gè)定義對(duì)于類(lèi)來(lái)說(shuō)是十分嚴(yán)格的，即使是Java API中標(biāo)為線(xiàn)程安全的類(lèi)也很難滿(mǎn)足這個(gè)要求。
比如Vector是標(biāo)記為線(xiàn)程安全的，但實(shí)際上并不能滿(mǎn)足這個(gè)條件，舉個(gè)例子：
- public class Vector<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable{
- public synchronized E get(int index) {
- if (index >= elementCount)
- throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
- return elementData(index);
- }
- public synchronized void removeElementAt(int index) {
- modCount++;
- if (index >= elementCount) {
- throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " +
- elementCount);
- }
- else if (index < 0) {
- throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);
- }
- int j = elementCount - index - 1;
- if (j > 0) {
- System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, j);
- }
- elementCount--;
- elementData[elementCount] = null; /* to let gc do its work */
- }
- //....基本上所有方法都是synchronized修飾的
- }
來(lái)看下面一個(gè)案例：
判斷Vector中第0個(gè)元素是不是空字符，如果是空字符就將其刪除。
- package com.java.tian.blog.utils;
- import java.util.Vector;
- public class SynchronizedDemo{
- static Vector<String> vct = new Vector<String>();
- public void remove() {
- if("".equals(vct.get(0))) {
- vct.remove(0);
- }
- }
- public static void main(String[] args) {
- vct.add("");
- SynchronizedDemo synchronizedDemo = new SynchronizedDemo();
- new Thread(new Runnable() {
- @Override
- public void run() {
- synchronizedDemo.remove();
- }
- },"線(xiàn)程1").start();
- new Thread(new Runnable() {
- @Override
- public void run() {
- synchronizedDemo.remove();
- }
- },"線(xiàn)程2").start();
- }
- }
上面的邏輯看起來(lái)沒(méi)有問(wèn)題，實(shí)際上是有可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的：假設(shè)第0個(gè)元素是空字符，判斷的時(shí)候得到的結(jié)果是true。
兩個(gè)線(xiàn)程同時(shí)執(zhí)行上面的remove方法，(「極端的情況」)都「可能」get到的是""，然后都去刪除第0個(gè)元素，這個(gè)元素有可能已經(jīng)被其它線(xiàn)程刪除了，因此Vector不是絕對(duì)線(xiàn)程安全的。(上面這個(gè)案例只是做演示而已，在你的業(yè)務(wù)代碼里面這么寫(xiě)的話(huà)，線(xiàn)程安全真的就不能靠Vector來(lái)保證了)。
通常情況下我們說(shuō)的線(xiàn)程安全都是相對(duì)線(xiàn)程安全，相對(duì)線(xiàn)程安全只要求調(diào)用單個(gè)方法的時(shí)候不需要同步就可以得到正確的結(jié)果，但數(shù)多個(gè)方法組合調(diào)用的時(shí)候也是有可能導(dǎo)致多線(xiàn)程問(wèn)題的。
如果想讓上面的操作執(zhí)行正確，我們需要在調(diào)用Vector方法的時(shí)候添加額外的同步操作：
- package com.java.tian.blog.utils;
- import java.util.Vector;
- public class SynchronizedDemo {
- static Vector<String> vct = new Vector<String>();
- public void remove() {
- synchronized (vct) {
- //synchronized (SynchronizedDemo.class) {
- if ("".equals(vct.get(0))) {
- vct.remove(0);
- }
- }
- }
- public static void main(String[] args) {
- vct.add("");
- SynchronizedDemo synchronizedDemo = new SynchronizedDemo();
- new Thread(new Runnable() {
- @Override
- public void run() {
- synchronizedDemo.remove();
- }
- }, "線(xiàn)程1").start();
- new Thread(new Runnable() {
- @Override
- public void run() {
- synchronizedDemo.remove();
- }
- }, "線(xiàn)程2").start();
- }
- }
根據(jù)Vector的源代碼可知：Vector的每個(gè)方法都使用了synchronized關(guān)鍵字修飾，因此鎖對(duì)象就是這個(gè)對(duì)象本身。在上面的代碼中我們嘗試獲取的也是vct對(duì)象的鎖，可以和vct對(duì)象的其它方法互斥，因此這樣做可以保證得到正確的結(jié)果。
如果Vector內(nèi)部使用的是其它鎖同步的，并封裝了鎖對(duì)象，那么我們無(wú)論如何都無(wú)法正確執(zhí)行這個(gè)“先判斷后修改”的操作。
假設(shè)被封裝的對(duì)象鎖為obj，get()和remove()方法對(duì)應(yīng)的鎖都是obj，而整個(gè)操作過(guò)程獲取的是vct的鎖，一個(gè)線(xiàn)程調(diào)用get()方法成功后就釋放了obj的鎖，這時(shí)這個(gè)線(xiàn)程只持有vct的鎖，而其它線(xiàn)程可以獲得obj的鎖并搶先一步刪除了第0個(gè)元素。
Java為開(kāi)發(fā)者提供了很多強(qiáng)大的工具類(lèi)，這些工具類(lèi)里面有的是線(xiàn)程安全的，有的不是線(xiàn)程安全的。在這里我們列舉幾個(gè)面試常考的：
線(xiàn)程安全的類(lèi)：Vector、Hashtable、StringBuffer
非線(xiàn)程安全的類(lèi)：ArrayList、HashMap、StringBuilder
有人可能會(huì)反問(wèn)：為什么Java不把所有的類(lèi)都設(shè)計(jì)成線(xiàn)程安全的呢?這樣對(duì)于我們開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)豈不是更爽嗎?我們就不用考慮什么線(xiàn)程安全問(wèn)題了。
事情都是具有兩面性的，獲得線(xiàn)程安全但是性能會(huì)有所下降，畢竟鎖的開(kāi)銷(xiāo)是擺在那里的。線(xiàn)程不安全但是性能會(huì)有所提升，具體場(chǎng)景還得看業(yè)務(wù)更偏向于哪一個(gè)。
一個(gè)問(wèn)題引發(fā)的思考：
- public class SynchronizedDemo {
- static int count;
- public void incre() {
- try {
- //每個(gè)線(xiàn)程都睡一會(huì)，模仿業(yè)務(wù)代碼
- Thread.sleep(100 );
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- count++;
- }
- public static void main(String[] args) {
- SynchronizedDemo synchronizedDemo = new SynchronizedDemo();
- for (int i = 0; i < 1000; i++) {
- new Thread(new Runnable() {
- @Override
- public void run() {
- synchronizedDemo.incre();
- }
- }).start();
- }
- try {
- //讓主線(xiàn)程等待所有線(xiàn)程執(zhí)行完畢
- Thread.sleep(2000L);
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println(count);
- }
- }
上面這段代碼輸出的結(jié)果是不確定的，結(jié)果是小于等于1000。
1000線(xiàn)程都去對(duì)count進(jìn)行++操作。
對(duì)象內(nèi)存布局
對(duì)象在內(nèi)存中的存儲(chǔ)可以分為 3 塊區(qū)域，分別是對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)和對(duì)齊填充。
其中，對(duì)象頭包括兩部分內(nèi)容，一部分是對(duì)象本身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，像 GC 分代年齡、哈希碼、鎖狀態(tài)標(biāo)識(shí)等等，官方稱(chēng)之為“Mark Word”，如果忽略壓縮指針的影響，這部分?jǐn)?shù)據(jù)在 32 位和 64 位的虛擬機(jī)中分別占 32 位和 64 位。
但是對(duì)象需要存儲(chǔ)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)很多，32 位或者 64 位都不一定能存的下，考慮到虛擬機(jī)的空間效率，這個(gè) Mark Word 被設(shè)計(jì)成一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它會(huì)根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間，對(duì)象處于不同狀態(tài)的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的 bit 表示的含義可能會(huì)不一樣，見(jiàn)下圖，以 32 位 Hot Spot 虛擬機(jī)為例：
從上圖中我們可以看出，如果對(duì)象處于未鎖定狀態(tài)(無(wú)鎖態(tài))，那么 Mark Word 的 25 位用于存儲(chǔ)對(duì)象的哈希碼，4 位用于存儲(chǔ)對(duì)象分代年齡，1 位固定為 0，兩位用于存儲(chǔ)鎖標(biāo)志位。
這個(gè)圖對(duì)于理解后面提到的輕量級(jí)鎖、偏向鎖是非常重要的，當(dāng)然我們現(xiàn)在可以先著重考慮對(duì)象處于重量級(jí)鎖狀態(tài)下的情況，也就是鎖標(biāo)志位為 10。同時(shí)我們看到，無(wú)鎖態(tài)和偏向鎖狀態(tài)下，2 位鎖標(biāo)志位都是“01”，留有 1 位表示是否可偏向，我們姑且叫它“偏向位”。
「注」：對(duì)象頭的另一部分則是類(lèi)型指針，虛擬機(jī)可以通過(guò)這個(gè)指針來(lái)確認(rèn)該對(duì)象是哪個(gè)類(lèi)的實(shí)例。但是我們要注意，并不是所有的虛擬機(jī)都必須以這種方式來(lái)確定對(duì)象的元數(shù)據(jù)信息。對(duì)象的訪問(wèn)定位一般有句柄和直接指針兩種，如果使用句柄的話(huà)，那么對(duì)象的元數(shù)據(jù)信息可以直接包含在句柄中(當(dāng)然也包括對(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)的地址信息)，也就沒(méi)必要將這些元數(shù)據(jù)和實(shí)例數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一起了。至于實(shí)例數(shù)據(jù)和對(duì)齊填充，這里暫不做討論。
前面我們提到了，Java 中的每個(gè)對(duì)象都與一個(gè) monitor 相關(guān)聯(lián)，當(dāng)鎖標(biāo)志位為 10 時(shí)，除了 2bit 的標(biāo)志位，指向的就是 monitor 對(duì)象的地址(還是以 32 位虛擬機(jī)為例)。這里我們可以翻閱一下 OpenJDK 的源碼，如果我們需要下載openJDK的源碼：
找到。這里先看一下markOpp.hpp文件。該文件的相對(duì)路徑為：
- openjdk\hotspot\src\share\vm\oops
下圖是文件中的注釋部分：
我們可以看到，其中描述了 32 位和 64 位下 Mark World 的存儲(chǔ)狀態(tài)。也可以看到64位下，前25位是沒(méi)有使用的。
我們也可以看到 markOop.hpp 中定義的鎖狀態(tài)枚舉，對(duì)應(yīng)我們前面提到的無(wú)鎖、偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖(膨脹鎖)、GC 標(biāo)記等：
- enum { locked_value = 0,//00 輕量級(jí)鎖
- unlocked_value = 1,//01 無(wú)鎖
- monitor_value = 2,//10 重量級(jí)鎖
- marked_value = 3,//11 GC標(biāo)記
- biased_lock_pattern = 5 //101 偏向鎖，1位偏向標(biāo)記和2位狀態(tài)標(biāo)記(01)
- };
從注釋中，我們也可以看到對(duì)其的簡(jiǎn)要描述，后面會(huì)我們?cè)敿?xì)解釋?zhuān)?/p>
這里我們的重心還是是重量級(jí)鎖，所以我們看看源碼中 monitor 對(duì)象是如何定義的，對(duì)應(yīng)的頭文件是 objectMonitor.hpp，文件路徑為：
- openjdk\hotspot\src\share\vm\runtime
我們來(lái)簡(jiǎn)單看一下這個(gè) objectMonitor.hpp 的定義：
- // initialize the monitor, exception the semaphore, all other fields
- // are simple integers or pointers
- ObjectMonitor() {
- _header = NULL;
- _count = 0;
- _waiters = 0,//等待線(xiàn)程數(shù)
- _recursions = 0;//重入次數(shù)
- _object = NULL;
- _owner = NULL;//持有鎖的線(xiàn)程(邏輯上，實(shí)際上除了THREAD，還可能是Lock Record)
- _WaitSet = NULL;//線(xiàn)程wait之后會(huì)進(jìn)入該列表
- _WaitSetLock = 0 ;
- _Responsible = NULL ;
- _succ = NULL ;
- _cxq = NULL ;//等待獲取鎖的線(xiàn)程列表，和_EntryList配合使用
- FreeNext = NULL ;
- _EntryList = NULL ;//等待獲取鎖的線(xiàn)程列表，和_cxq配合使用
- _SpinFreq = 0 ;
- _SpinClock = 0 ;
- OwnerIsThread = 0 ;//當(dāng)前持有者是否為T(mén)HREAD類(lèi)型，如果是輕量級(jí)鎖膨脹而來(lái)，還沒(méi)有enter的話(huà)，
- //_owner存儲(chǔ)的可能會(huì)是Lock Record
- _previous_owner_tid = 0;
- }
簡(jiǎn)單的說(shuō)，當(dāng)多個(gè)線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)同一段同步代碼塊時(shí)，如果線(xiàn)程獲取到了 monitor，那么就會(huì)把 _owner 設(shè)置成當(dāng)前線(xiàn)程，如果是重入的話(huà)，_recursions 會(huì)加 1，如果獲取 monitor 失敗，則會(huì)進(jìn)入 _cxq隊(duì)列。
鎖被釋放時(shí)，_cxq中的線(xiàn)程會(huì)被移動(dòng)到 _EntryList中，并且喚醒_EntryList 隊(duì)首線(xiàn)程。當(dāng)然，選取喚醒線(xiàn)程有幾個(gè)不同的策略(Knob_QMode)，還是后面結(jié)合源碼解析。
「注」：_cxq和 _EntryList本質(zhì)上是ObjectWaiter 類(lèi)型，它本質(zhì)上其實(shí)是一個(gè)雙向鏈表 (具有前后指針)，只是在使用的時(shí)候不一定要當(dāng)做雙向鏈表使用，比如 _cxq 是當(dāng)做單向鏈表使用的，_EntryList是當(dāng)做雙向鏈表使用的。
什么場(chǎng)景會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)程的上下文切換?
導(dǎo)致線(xiàn)程上下文切換的有兩種類(lèi)型：
自發(fā)性上下文切換是指線(xiàn)程由 Java 程序調(diào)用導(dǎo)致切出，在多線(xiàn)程編程中，執(zhí)行調(diào)用上圖中的方法或關(guān)鍵字，常常就會(huì)引發(fā)自發(fā)性上下文切換。
非自發(fā)性上下文切換指線(xiàn)程由于調(diào)度器的原因被迫切出。常見(jiàn)的有：線(xiàn)程被分配的時(shí)間片用完，虛擬機(jī)垃圾回收導(dǎo)致或者執(zhí)行優(yōu)先級(jí)的問(wèn)題導(dǎo)致。
waity /notify
注意兩個(gè)隊(duì)列：
等待隊(duì)列：notifyAll/notify喚醒的就是等待隊(duì)列中的線(xiàn)程;
同步線(xiàn)程：就是競(jìng)爭(zhēng)鎖的所有線(xiàn)程，等待隊(duì)列中的線(xiàn)程被喚醒后進(jìn)入同步隊(duì)列。
sleep與wait的區(qū)別
sleep
- 讓當(dāng)前線(xiàn)程休眠指定時(shí)間。
- 休眠時(shí)間的準(zhǔn)確性依賴(lài)于系統(tǒng)時(shí)鐘和CPU調(diào)度機(jī)制。
- 不釋放已獲取的鎖資源，如果sleep方法在同步上下文中調(diào)用，那么其他線(xiàn)程是無(wú)法進(jìn)入到當(dāng)前同步塊或者同步方法中的。
- 可通過(guò)調(diào)用interrupt()方法來(lái)喚醒休眠線(xiàn)程。
- sleep是Thread里的方法
wait
- 讓當(dāng)前線(xiàn)程進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)別的其他線(xiàn)程調(diào)用notify()或者notifyAll()方法時(shí)，當(dāng)前線(xiàn)程進(jìn)入就緒狀態(tài)
- wait方法必須在同步上下文中調(diào)用，例如：同步方法塊或者同步方法中，這也就意味著如果你想要調(diào)用wait方法，前提是必須獲取對(duì)象上的鎖資源
- 當(dāng)wait方法調(diào)用時(shí)，當(dāng)前線(xiàn)程將會(huì)釋放已獲取的對(duì)象鎖資源，并進(jìn)入等待隊(duì)列，其他線(xiàn)程就可以嘗試獲取對(duì)象上的鎖資源。
- wait是Object中的方法
樂(lè)觀鎖、悲觀鎖、可重入鎖.....
作為一個(gè)Java開(kāi)發(fā)多年的人來(lái)說(shuō)，肯定多多少少熟悉一些鎖，或者聽(tīng)過(guò)一些鎖。今天就來(lái)做一個(gè)鎖相關(guān)總結(jié)。
悲觀鎖和樂(lè)觀鎖
悲觀鎖
顧名思義，他就是很悲觀，把事情都想的最壞，是指該鎖只能被一個(gè)線(xiàn)程鎖持有，如果A線(xiàn)程獲取到鎖了，這時(shí)候線(xiàn)程B想獲取鎖只能排隊(duì)等待線(xiàn)程A釋放。
在數(shù)據(jù)庫(kù)中這樣操作：
- select user_name，user_pwd from t_user for update;
樂(lè)觀鎖
顧名思義，樂(lè)觀，人樂(lè)觀就是什么是都想得開(kāi)，船到橋頭自然直。樂(lè)觀鎖就是我都覺(jué)得他們都沒(méi)有拿到鎖，只有我拿到鎖了，最后再去問(wèn)問(wèn)這個(gè)鎖真的是我獲取的嗎?是就把事情給干了。
典型的代表：CAS=Compare and Swap 先比較哈，資源是不是我之前看到的那個(gè)，是那我就把他換成我的。不是就算了。
在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子變量就是使用了樂(lè)觀鎖的一種實(shí)現(xiàn)方式CAS實(shí)現(xiàn)。
通常都是 使用version、時(shí)間戳等來(lái)比較是否已被其他線(xiàn)程修改過(guò)。
使用悲觀鎖還是使用樂(lè)觀鎖?
在樂(lè)觀鎖與悲觀鎖的選擇上面，主要看下兩者的區(qū)別以及適用場(chǎng)景就可以了。
「響應(yīng)效率」
如果需要非常高的響應(yīng)速度，建議采用樂(lè)觀鎖方案，成功就執(zhí)行，不成功就失敗，不需要等待其他并發(fā)去釋放鎖。樂(lè)觀鎖并未真正加鎖，效率高。一旦鎖的粒度掌握不好，更新失敗的概率就會(huì)比較高，容易發(fā)生業(yè)務(wù)失敗。
「沖突頻率」
如果沖突頻率非常高，建議采用悲觀鎖，保證成功率。沖突頻率大，選擇樂(lè)觀鎖會(huì)需要多次重試才能成功，代價(jià)比較大。「重試代價(jià)」
如果重試代價(jià)大，建議采用悲觀鎖。悲觀鎖依賴(lài)數(shù)據(jù)庫(kù)鎖，效率低。更新失敗的概率比較低。
樂(lè)觀鎖如果有人在你之前更新了，你的更新應(yīng)當(dāng)是被拒絕的，可以讓用戶(hù)從新操作。悲觀鎖則會(huì)等待前一個(gè)更新完成。這也是區(qū)別。
公平鎖和非公平鎖
公平鎖
顧名思義，是公平的，先來(lái)先得，F(xiàn)IFO;必須遵守排隊(duì)規(guī)則。不能僭越。多個(gè)線(xiàn)程按照申請(qǐng)鎖的順序去獲得鎖，線(xiàn)程會(huì)直接進(jìn)入隊(duì)列去排隊(duì)，永遠(yuǎn)都是隊(duì)列的第一位才能得到鎖。
在ReentrantLock中默認(rèn)使用的非公平鎖，但是可以在構(gòu)建ReentrantLock實(shí)例時(shí)候指定為公平鎖。
- ReentrantLock fairSyncLock = new ReentrantLock(true);
假設(shè)線(xiàn)程 A 已經(jīng)持有了鎖，這時(shí)候線(xiàn)程 B 請(qǐng)求該鎖將會(huì)被掛起，當(dāng)線(xiàn)程 A 釋放鎖后，假如當(dāng)前有線(xiàn)程 C 也需要獲取該鎖，那么在公平鎖模式下，獲取鎖和釋放鎖的步驟為：
- 線(xiàn)程A獲取鎖--->線(xiàn)程A釋放鎖
- 線(xiàn)程B獲取鎖--->線(xiàn)程B釋放鎖;
- 線(xiàn)程C獲取鎖--->線(xiàn)程釋放鎖;
「優(yōu)點(diǎn)」
所有的線(xiàn)程都能得到資源，不會(huì)餓死在隊(duì)列中。
「缺點(diǎn)」
吞吐量會(huì)下降很多，隊(duì)列里面除了第一個(gè)線(xiàn)程，其他的線(xiàn)程都會(huì)阻塞，CPU喚醒阻塞線(xiàn)程的開(kāi)銷(xiāo)會(huì)很大。
非公平鎖
顧名思義，老子才不管你們誰(shuí)先排隊(duì)的，也就是平時(shí)大家在生活中很討厭的。生活中排隊(duì)的很多，上車(chē)排隊(duì)、坐電梯排隊(duì)、超市結(jié)賬付款排隊(duì)等等。但是不是每個(gè)人都會(huì)遵守規(guī)則站著排隊(duì)，這就對(duì)站著排隊(duì)的人來(lái)說(shuō)就不公平了。等搶不到后再去乖乖排隊(duì)。
多個(gè)線(xiàn)程去獲取鎖的時(shí)候，會(huì)直接去嘗試獲取，獲取不到，再去進(jìn)入等待隊(duì)列，如果能獲取到，就直接獲取到鎖。
上面說(shuō)過(guò)在ReentrantLock中默認(rèn)使用的非公平鎖，兩種方式：
- ReentrantLock fairSyncLock = new ReentrantLock(false);
或者：
- ReentrantLock fairSyncLock = new ReentrantLock();
都可以實(shí)現(xiàn)非公平鎖。
「優(yōu)點(diǎn)」
可以減少CPU喚醒線(xiàn)程的開(kāi)銷(xiāo)，整體的吞吐效率會(huì)高點(diǎn)，CPU也不必取喚醒所有線(xiàn)程，會(huì)減少喚起線(xiàn)程的數(shù)量。
「缺點(diǎn)」
大家可能也發(fā)現(xiàn)了，這樣可能導(dǎo)致隊(duì)列中間的線(xiàn)程一直獲取不到鎖或者長(zhǎng)時(shí)間獲取不到鎖，導(dǎo)致餓死。
獨(dú)享鎖和共享鎖
獨(dú)享鎖
獨(dú)享鎖也叫排他鎖/互斥鎖，是指該鎖一次只能被一個(gè)線(xiàn)程鎖持有。如果線(xiàn)程T對(duì)數(shù)據(jù)A加上排他鎖后，則其他線(xiàn)程不能再對(duì)A加任何類(lèi)型的鎖。獲得排他鎖的線(xiàn)程既能讀數(shù)據(jù)又能修改數(shù)據(jù)。JDK中的synchronized和JUC中Lock的實(shí)現(xiàn)類(lèi)就是互斥鎖。
共享鎖
共享鎖是指該鎖可被多個(gè)線(xiàn)程所持有。如果線(xiàn)程T對(duì)數(shù)據(jù)A加上共享鎖后，則其他線(xiàn)程只能對(duì)A再加共享鎖，不能加排他鎖。獲得共享鎖的線(xiàn)程只能讀數(shù)據(jù)，不能修改數(shù)據(jù)。
對(duì)于ReentrantLock而言，其是獨(dú)享鎖。但是對(duì)于Lock的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)類(lèi)ReadWriteLock，其讀鎖是共享鎖，其寫(xiě)鎖是獨(dú)享鎖。
- 讀鎖的共享鎖可保證并發(fā)讀是非常高效的，讀寫(xiě)，寫(xiě)讀 ，寫(xiě)寫(xiě)的過(guò)程是互斥的。
- 獨(dú)享鎖與共享鎖也是通過(guò)AQS來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)實(shí)現(xiàn)不同的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)獨(dú)享或者共享。
可重入鎖
若當(dāng)前線(xiàn)程執(zhí)行中已經(jīng)獲取了鎖，如果再次獲取該鎖時(shí)，就會(huì)獲取不到被阻塞。
- public class RentrantLockDemo {
- public synchronized void test(){
- System.out.println("test");
- }
- public synchronized void test1(){
- System.out.println("test1");
- test();
- }
- public static void main(String[] args) {
- RentrantLockDemo rentrantLockDemo = new RentrantLockDemo();
- //線(xiàn)程1
- new Thread(() -> rentrantLockDemo.test1()).start();
- }
- }
當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行test1()方法的時(shí)候，需要獲取rentrantLockDemo的對(duì)象鎖，在test1方法匯總又會(huì)調(diào)用test方法，但是test()的調(diào)用是需要獲取對(duì)象鎖的。
可重入鎖也叫「遞歸鎖」，指的是同一線(xiàn)程外層函數(shù)獲得鎖之后，內(nèi)層遞歸函數(shù)仍然有獲取該鎖的代碼，但不受影響。
ThreadLocal設(shè)計(jì)原理
ThreadLocal名字中有個(gè)Thread表示線(xiàn)程，Local表示本地，我們就理解為線(xiàn)程本地變量了。
先看看ThreadLocal的整體：
最關(guān)心的三個(gè)公有方法：set、get、remove。
構(gòu)造方法
- public ThreadLocal() {
- }
構(gòu)造方法里沒(méi)有任何邏輯處理，就是簡(jiǎn)單的創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例。
set方法
源碼為：
- public void set(T value) {
- //獲取當(dāng)前線(xiàn)程
- Thread t = Thread.currentThread();
- //這是什么鬼？
- ThreadLocalMap map = getMap(t);
- if (map != null)
- map.set(this, value);
- else
- createMap(t, value);
- }
先看看ThreadLocalMap是個(gè)什么東東：
ThreadLocalMap是ThreadLocal的靜態(tài)內(nèi)部類(lèi)。
set方法整體為：
ThreadLocalMap構(gòu)造方法：
- //這個(gè)屬性是ThreadLocal的，就是獲取hashcode(這列很有學(xué)問(wèn)，但是我們的目的不是他)
- private final int threadLocalHashCode = nextHashCode();
- private Entry[] table;
- private static final int INITIAL_CAPACITY = 16;
- //Entry是一個(gè)弱引用
- static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
- Object value;
- Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
- super(k);
- value = v;
- }
- }
- ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
- //數(shù)組默認(rèn)大小為16
- table = new Entry[INITIAL_CAPACITY];
- //len 為2的n次方，以ThreadLocal的計(jì)算的哈希值按照Entry[]取模（為了更好的散列）
- int i = firstKey.threadLocalHashCode & (INITIAL_CAPACITY - 1);
- table[i] = new Entry(firstKey, firstValue);
- size = 1;
- //設(shè)置閾值（擴(kuò)容閾值）
- setThreshold(INITIAL_CAPACITY);
- }
然后我們看看map.set()方法中是如何處理的：
- private void set(ThreadLocal<?> key, Object value) {
- Entry[] tab = table;
- int len = tab.length;
- //len 為2的n次方，以ThreadLocal的計(jì)算的哈希值按照Entry[]取模
- int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
- //找到ThreadLocal對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)的下標(biāo)，如果當(dāng)前槽內(nèi)Entry不為空，
- //即當(dāng)前線(xiàn)程已經(jīng)有ThreadLocal已經(jīng)使用過(guò)Entry[i]
- for (Entry e = tab[i];
- e != null;
- e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
- ThreadLocal<?> k = e.get();
- // 當(dāng)前占據(jù)該槽的就是當(dāng)前的ThreadLocal ,更新value結(jié)束
- if (k == key) {
- e.value = value;
- return;
- }
- //當(dāng)前卡槽的弱引用可能會(huì)回收了，key:null value:xxxObject ，
- //需清理Entry原來(lái)的value ，便于垃圾回收value，且將新的value 放在該槽里，結(jié)束
- if (k == null) {
- replaceStaleEntry(key, value, i);
- return;
- }
- }
- //在這之前沒(méi)有ThreadLocal使用Entry[i]，并進(jìn)行值存儲(chǔ)
- tab[i] = new Entry(key, value);
- //累計(jì)Entry所占的個(gè)數(shù)
- int sz = ++size;
- // 清理key 為null 的Entry ，可能需要擴(kuò)容，擴(kuò)容長(zhǎng)度為原來(lái)的2倍，并需要進(jìn)行重新hash
- if (!cleanSomeSlots(i, sz) && sz >= threshold){
- rehash();
- }
從上面這個(gè)set方法，我們就大致可以把這三個(gè)進(jìn)行一個(gè)關(guān)聯(lián)了:
Thread、ThreadLocal、ThreadLocalMap。
get方法
remove方法
expungeStaleEntry方法代碼里有點(diǎn)大，所以這里就貼了出來(lái)。
- //刪除陳舊entry的核心方法
- private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
- Entry[] tab = table;
- int len = tab.length;
- tab[staleSlot].value = null;//刪除value
- tab[staleSlot] = null;//刪除entry
- size--;//map的size自減
- // 遍歷指定刪除節(jié)點(diǎn)，所有后續(xù)節(jié)點(diǎn)
- Entry e;
- int i;
- for (i = nextIndex(staleSlot, len);
- (e = tab[i]) != null;
- i = nextIndex(i, len)) {
- ThreadLocal<?> k = e.get();
- if (k == null) {//key為null,執(zhí)行刪除操作
- e.value = null;
- tab[i] = null;
- size--;
- } else {//key不為null,重新計(jì)算下標(biāo)
- int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
- if (h != i) {//如果不在同一個(gè)位置
- tab[i] = null;//把老位置的entry置null(刪除)
- // 從h開(kāi)始往后遍歷，一直到找到空為止，插入
- while (tab[h] != null){
- h = nextIndex(h, len);
- }
- tab[h] = e;
- }
- }
- }
- return i;
- }
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