Java 锁、线程上下文、阻塞队列详解

杰子学编程 28 2022-06-07

Java 锁、线程上下文、阻塞队列详解

一、Java锁

1.1乐观锁

乐观锁是一种乐观思想,即认为读多写少,遇到并发写的可能性低,每次去拿数据的时候都认为 别人不会修改,所以不会上锁,但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数 据,采取在写时先读出当前版本号,然后加锁操作(比较跟上一次的版本号,如果一样则更新), 如果失败则要重复读-比较-写的操作。

java 中的乐观锁基本都是通过 CAS 操作实现的,CAS 是一种更新的原子操作,比较当前值跟传入值是否一样,一样则更新,否则失败。

1.2悲观锁

悲观锁是就是悲观思想,即认为写多,遇到并发写的可能性高,每次去拿数据的时候都认为别人会修改,所以每次在读写数据的时候都会上锁,这样别人想读写这个数据就会block 直到拿到锁。java 中的悲观锁就是Synchronized,AQS 框架下的锁则是先尝试cas 乐观锁去获取锁,获取不到, 才会转换为悲观锁,如RetreenLock

1.3、自旋锁

自旋锁原理非常简单,如果持有锁的线程能在很短时间内释放锁资源,那么那些等待竞争锁的线程就不需要做内核态和用户态之间的切换进入阻塞挂起状态,它们只需要等一等(自旋), 等持有锁的线程释放锁后即可立即获取锁,这样就避免用户线程和内核的切换的消耗

线程自旋是需要消耗 cup 的,说白了就是让 cup 在做无用功,如果一直获取不到锁,那线程也不能一直占用 cup 自旋做无用功,所以需要设定一个自旋等待的最大时间。

如果持有锁的线程执行的时间超过自旋等待的最大时间扔没有释放锁,就会导致其它争用锁的线程在最大等待时间内还是获取不到锁,这时争用线程会停止自旋进入阻塞状态。

  • 自旋锁的优缺点:

    自旋锁尽可能的减少线程的阻塞,这对于锁的竞争不激烈,且占用锁时间非常短的代码块来说性能能大幅度的提升,因为自旋的消耗会小于线程阻塞挂起再唤醒的操作的消耗,这些操作会导致线程发生两次上下文切换。

    但是如果锁的竞争激烈,或者持有锁的线程需要长时间占用锁执行同步块,这时候就不适合使用自旋锁了,因为自旋锁在获取锁前一直都是占用 cpu 做无用功,占着 XX 不 XX,同时有大量线程在竞争一个锁,会导致获取锁的时间很长,线程自旋的消耗大于线程阻塞挂起操作的消耗, 其它需要 cup 的线程又不能获取到 cpu,造成 cpu 的浪费。所以这种情况下我们要关闭自旋锁;

自旋锁时间阈值(1.6引入了适应性自旋锁)

自旋锁的目的是为了占着 CPU 的资源不释放,等到获取到锁立即进行处理。但是如何去选择自旋的执行时间呢?如果自旋执行时间太长,会有大量的线程处于自旋状态占用 CPU 资源,进而会影响整体系统的性能。因此自旋的周期选的额外重要!

JVM 对于自旋周期的选择,jdk1.5 这个限度是一定的写死的,在 1.6 引入了适应性自旋锁,适应性自旋锁意味着自旋的时间不在是固定的了,而是由前一次在同一个锁上的自旋时间以及锁的拥有者的状态来决定,基本认为一个线程上下文切换的时间是最佳的一个时间,同时 JVM 还针对当前 CPU 的负荷情况做了较多的优化,如果平均负载小于 CPUs 则一直自旋,如果有超过(CPUs/2) 个线程正在自旋,则后来线程直接阻塞,如果正在自旋的线程发现 Owner 发生了变化则延迟自旋时间(自旋计数)或进入阻塞,如果 CPU 处于节电模式则停止自旋,自旋时间的最坏情况是 CPU 的存储延迟(CPU A 存储了一个数据,到 CPU B 得知这个数据直接的时间差),自旋时会适当放弃线程优先级之间的差异。

自旋锁的开启

JDK1.6 中-XX:+UseSpinning 开启;

-XX:PreBlockSpin=10 为 自 旋 次 数 ; JDK1.7 后,去掉此参数,由 jvm 控制;

1.4、Synchronized 同步锁

synchronized 它可以把任意一个非 NULL 的对象当作锁。他属于独占式的悲观锁,同时属于可重入锁。

1.4.1、Synchronized作用范围(必会)

  1. 作用于方法时,锁住的是对象的实例(this);

  2. 当作用于静态方法时,锁住的是Class 实例,又因为Class 的相关数据存储在永久带PermGen(jdk1.8 则是 metaspace),永久带是全局共享的,因此静态方法锁相当于类的一个全局锁, 会锁所有调用该方法的线程;

  3. synchronized 作用于一个对象实例时,锁住的是所有以该对象为锁的代码块。它有多个队列, 当多个线程一起访问某个对象监视器的时候,对象监视器会将这些线程存储在不同的容器中。

1.4.2、Synchronized 核心组件

  1. Wait Set:哪些调用 wait 方法被阻塞的线程被放置在这里;

  2. Contention List:竞争队列,所有请求锁的线程首先被放在这个竞争队列中;

  3. Entry List:Contention List 中那些有资格成为候选资源的线程被移动到Entry List 中;

  4. OnDeck:任意时刻,最多只有一个线程正在竞争锁资源,该线程被成为 OnDeck

  5. Owner:当前已经获取到所资源的线程被称为 Owner;

  6. !Owner:当前释放锁的线程。

1.4.3、Synchronized实现

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  1. JVM 每次从队列的尾部取出一个数据用于锁竞争候选者(OnDeck),但是并发情况下, ContentionList 会被大量的并发线程进行 CAS 访问,为了降低对尾部元素的竞争,JVM 会将一部分线程移动到EntryList 中作为候选竞争线程。

  2. Owner 线程会在 unlock 时,将 ContentionList 中的部分线程迁移到 EntryList 中,并指定EntryList 中的某个线程为OnDeck 线程(一般是最先进去的那个线程)。

  3. Owner 线程并不直接把锁传递给 OnDeck 线程,而是把锁竞争的权利交给 OnDeck, OnDeck 需要重新竞争锁。这样虽然牺牲了一些公平性,但是能极大的提升系统的吞吐量,在JVM 中,也把这种选择行为称之为“竞争切换”。

  4. OnDeck 线程获取到锁资源后会变为Owner 线程,而没有得到锁资源的仍然停留在EntryList 中。如果Owner 线程被wait 方法阻塞,则转移到WaitSet 队列中,直到某个时刻通过notify 或者 notifyAll 唤醒,会重新进去 EntryList 中。

  5. 处于 ContentionList、EntryList、WaitSet 中的线程都处于阻塞状态,该阻塞是由操作系统来完成的(Linux 内核下采用 pthread_mutex_lock 内核函数实现的)。

  6. Synchronized 是非公平锁。 Synchronized 在线程进入ContentionList 时,等待的线程会先尝试自旋获取锁,如果获取不到就进入 ContentionList,这明显对于已经进入队列的线程是不公平的,还有一个不公平的事情就是自旋获取锁的线程还可能直接抢占 OnDeck 线程的锁资源。

  7. 每个对象都有个 monitor 对象,加锁就是在竞争 monitor 对象,代码块加锁是在前后分别加上 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现的,方法加锁是通过一个标记位来判断的

  8. synchronized 是一个重量级操作,需要调用操作系统相关接口,性能是低效的,有可能给线程加锁消耗的时间比有用操作消耗的时间更多。

  9. Java1.6,synchronized 进行了很多的优化,有适应自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁及偏向锁等,效率有了本质上的提高。在之后推出的 Java1.7 与 1.8 中,均对该关键字的实现机理做了优化。引入了偏向锁和轻量级锁。都是在对象头中有标记位,不需要经过操作系统加锁。

  10. 锁可以从偏向锁升级到轻量级锁,再升级到重量级锁。这种升级过程叫做锁膨胀;

  11. JDK 1.6 中默认是开启偏向锁和轻量级锁,可以通过-XX:-UseBiasedLocking 来禁用偏向锁。

1.5、ReentrantLock

ReentantLock 继承接口 Lock 并实现了接口中定义的方法,他是一种可重入锁,除了能完成 synchronized 所能完成的所有工作外,还提供了诸如可响应中断锁、可轮询锁请求、定时锁等避免多线程死锁的方法。

1.5.1、Lock接口的主要方法

  1. void lock(): 执行此方法时, 如果锁处于空闲状态, 当前线程将获取到锁. 相反, 如果锁已经被其他线程持有, 将禁用当前线程, 直到当前线程获取到锁.

  2. boolean tryLock():如果锁可用, 则获取锁, 并立即返回 true, 否则返回 false. 该方法和lock()的区别在于, tryLock()只是"试图"获取锁, 如果锁不可用, 不会导致当前线程被禁用, 当前线程仍然继续往下执行代码. 而 lock()方法则是一定要获取到锁, 如果锁不可用, 就一直等待, 在未获得锁之前,当前线程并不继续向下执行.

  3. void unlock():执行此方法时, 当前线程将释放持有的锁. 锁只能由持有者释放, 如果线程并不持有锁, 却执行该方法, 可能导致异常的发生.

  4. Condition newCondition():条件对象,获取等待通知组件。该组件和当前的锁绑定, 当前线程只有获取了锁,才能调用该组件的 await()方法,而调用后,当前线程将缩放锁。

  5. getHoldCount() :查询当前线程保持此锁的次数,也就是执行此线程执行lock 方法的次数。

  6. getQueueLength():返回正等待获取此锁的线程估计数,比如启动 10 个线程,1 个线程获得锁,此时返回的是 9

  7. getWaitQueueLength:(Condition condition)返回等待与此锁相关的给定条件的线程估计数。比如 10 个线程,用同一个 condition 对象,并且此时这 10 个线程都执行了condition 对象的 await 方法,那么此时执行此方法返回 10

  8. hasWaiters(Condition condition) : 查询是否有线程等待与此锁有关的给定条件(condition),对于指定 contidion 对象,有多少线程执行了 condition.await 方法

  9. hasQueuedThread(Thread thread):查询给定线程是否等待获取此锁

  10. hasQueuedThreads():是否有线程等待此锁

  11. isFair():该锁是否公平锁

  12. isHeldByCurrentThread(): 当前线程是否保持锁锁定,线程的执行 lock 方法的前后分别是false 和 true

  13. isLock():此锁是否有任意线程占用

  14. lockInterruptibly():如果当前线程未被中断,获取锁

  15. tryLock():尝试获得锁,仅在调用时锁未被线程占用,获得锁

  16. tryLock(long timeout TimeUnit unit):如果锁在给定等待时间内没有被另一个线程保持, 则获取该锁

1.5.2、非公平锁

JVM 按随机、就近原则分配锁的机制则称为不公平锁,ReentrantLock 在构造函数中提供了是否公平锁的初始化方式,默认为非公平锁。非公平锁实际执行的效率要远远超出公平锁,除非程序有特殊需要,否则最常用非公平锁的分配机制。

加锁时不考虑排队等待问题,直接尝试获取锁,获取不到自动到队尾等待

  1. 非公平锁性能比公平锁高 5~10 倍,因为公平锁需要在多核的情况下维护一个队列

  2. Java 中的synchronized 是非公平锁,ReentrantLock 默认的lock()方法采用的是非公平锁

1.5.3、公平锁

公平锁指的是锁的分配机制是公平的,通常先对锁提出获取请求的线程会先被分配到锁, ReentrantLock 在构造函数中提供了是否公平锁的初始化方式来定义公平锁。

1.5.4、ReentrantLock 与 synchronized

  1. ReentrantLock 通过方法 lock()与 unlock()来进行加锁与解锁操作,与 synchronized 会被 JVM 自动解锁机制不同,ReentrantLock 加锁后需要手动进行解锁。为了避免程序出现异常而无法正常解锁的情况,使用 ReentrantLock 必须在 finally 控制块中进行解锁操作。
  2. ReentrantLock 相比synchronized 的优势是可中断、公平锁、多个锁。这种情况下需要使用 ReentrantLock。
  3. ReentrantLock 显示的获得、释放锁,synchronized 隐式获得释放锁
  4. ReentrantLock 可响应中断、可轮回,synchronized 是不可以响应中断的,为处理锁的不可用性提供了更高的灵活
  5. ReentrantLock 是API 级别的,synchronized 是 JVM 级别的
  6. ReentrantLock 可以实现公平锁
  7. ReentrantLock 通过 Condition 可以绑定多个条件
  8. 底层实现不一样, synchronized 是同步阻塞,使用的是悲观并发策略,lock 是同步非阻塞,采用的是乐观并发策略
  9. Lock 是一个接口,而 synchronized 是 Java 中的关键字,synchronized 是内置的语言实现。
  10. synchronized 在发生异常时,会自动释放线程占有的锁,因此不会导致死锁现象发生; 而 Lock 在发生异常时,如果没有主动通过 unLock()去释放锁,则很可能造成死锁现象, 因此使用 Lock 时需要在finally 块中释放锁。
  11. Lock 可以让等待锁的线程响应中断,而 synchronized 却不行,使用synchronized 时, 等待的线程会一直等待下去,不能够响应中断。
  12. 通过 Lock 可以知道有没有成功获取锁,而 synchronized 却无法办到。
  13. Lock 可以提高多个线程进行读操作的效率,既就是实现读写锁等。
public class MyService {
private Lock lock = new ReentrantLock();
//Lock lock=new ReentrantLock(true);//公平锁
//Lock lock=new ReentrantLock(false);//非公平锁
private Condition condition=lock.newCondition();// 创 建 Condition 
  public void testMethod() {
		try {
			lock.lock();//lock 加锁
//1:wait 方法等待:
			System.out.println("开始 wait"); 
      condition.await();
//通过创建Condition 对象来使线程wait,必须先执行 lock.lock 方法获得锁
//:2:signal 方法唤醒
			condition.signal();//condition 对象的signal 方法可以唤醒wait 线程
      for (int i = 0; i < 5; i++) {
				System.out.println("ThreadName=" + Thread.currentThread().getName()+ (" " + (i + 1)));
			}
		} catch (InterruptedException e) { 
      e.printStackTrace();
		}final{
			lock.unlock();
		}
	}
} 

1.5.5、Condition 类和 Object 类锁方法区别区别

  1. Condition 类的awiat 方法和Object 类的 wait 方法等效

  2. Condition 类的signal 方法和Object 类的 notify 方法等效

  3. Condition 类的signalAll 方法和 Object 类的 notifyAll 方法等效

  4. ReentrantLock 类可以唤醒指定条件的线程,而 object 的唤醒是随机的

1.5.6、tryLock 和 lock 和 lockInterruptibly 的区别

  1. tryLock 能获得锁就返回true,不能就立即返回 false,tryLock(long timeout,TimeUnit unit),可以增加时间限制,如果超过该时间段还没获得锁,返回 false

  2. lock 能获得锁就返回true,不能的话一直等待获得锁

  3. lock 和 lockInterruptibly,如果两个线程分别执行这两个方法,但此时中断这两个线程, lock 不会抛出异常,而 lockInterruptibly 会抛出异常。

1.6、Semaphore 信号量

Semaphore 是一种基于计数的信号量。它可以设定一个阈值,基于此,多个线程竞争获取许可信号,做完自己的申请后归还,超过阈值后,线程申请许可信号将会被阻塞。Semaphore 可以用来构建一些对象池,资源池之类的,比如数据库连接池,同时进行连接的线程有数量限制,连接不能超过一定的数量,当连接达到了限制数量后,后面的线程只能排队等前面的线程释放了数据库连接才能获得数据库连接。停车场场景,车位数量有限,同时只能容纳多少台车,车位满了之后只有等里面的车离开停车场外面的车才可以进入。

acquire() //获取一个令牌,在获取到令牌、或者被其他线程调用中断之前线程一直处于阻塞状态。
​acquire(int permits)  //获取一个令牌,在获取到令牌、或者被其他线程调用中断、或超时之前线程一直处于阻塞状态。
​acquireUninterruptibly() //获取一个令牌,在获取到令牌之前线程一直处于阻塞状态(忽略中断)。
​tryAcquire() //尝试获得令牌,返回获取令牌成功或失败,不阻塞线程。
​tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) //尝试获得令牌,在超时时间内循环尝试获取,直到尝试获取成功或超时返回,不阻塞线程。
​release() //释放一个令牌,唤醒一个获取令牌不成功的阻塞线程。
​hasQueuedThreads() //等待队列里是否还存在等待线程。
​getQueueLength() //获取等待队列里阻塞的线程数。
​drainPermits() //清空令牌把可用令牌数置为0,返回清空令牌的数量。
​availablePermits() //返回可用的令牌数量。

1.6.1、实现互斥锁(计数器为 1)

我们也可以创建计数为 1 的 Semaphore,将其作为一种类似互斥锁的机制,这也叫二元信号量, 表示两种互斥状态。

业务场景 :

1、停车场容纳总停车量10。

2、当一辆车进入停车场后,显示牌的剩余车位数响应的减1.

3、每有一辆车驶出停车场后,显示牌的剩余车位数响应的加1。

4、停车场剩余车位不足时,车辆只能在外面等待。

public class TestCar {
    //停车场同时容纳的车辆10
    private  static  Semaphore semaphore=new Semaphore(10);
    public static void main(String[] args) {
        //模拟100辆车进入停车场
        for(int i=0;i<100;i++){
            Thread thread=new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    try {
                        System.out.println("===="+Thread.currentThread().getName()+"来到停车场");
                        if(semaphore.availablePermits()==0){
                            System.out.println("车位不足,请耐心等待");
                        }
                        semaphore.acquire();//获取令牌尝试进入停车场
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"成功进入停车场");
                        Thread.sleep(new Random().nextInt(10000));//模拟车辆在停车场停留的时间
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"驶出停车场");
                        semaphore.release();//释放令牌,腾出停车场车位
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            },i+"号车");
            thread.start();
        }
    }
}

1.6.2、Semaphore 与 ReentrantLock

Semaphore 基本能完成 ReentrantLock 的所有工作,使用方法也与之类似,通过 acquire()与release()方法来获得和释放临界资源。经实测,Semaphone.acquire()方法默认为可响应中断锁, 与 ReentrantLock.lockInterruptibly()作用效果一致,也就是说在等待临界资源的过程中可以被Thread.interrupt()方法中断。

此外,Semaphore 也实现了可轮询的锁请求与定时锁的功能,除了方法名 tryAcquire 与 tryLock 不同,其使用方法与ReentrantLock 几乎一致。Semaphore 也提供了公平与非公平锁的机制,也可在构造函数中进行设定。

Semaphore 的锁释放操作也由手动进行,因此与ReentrantLock 一样,为避免线程因抛出异常而无法正常释放锁的情况发生,释放锁的操作也必须在finally 代码块中完成。

1.7、AtomicInteger

首先说明, 此处 AtomicInteger , 一个提供原子操作的 Integer 的类, 常见的还有AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference 等,他们的实现原理相同, 区别在与运算对象类型的不同。令人兴奋地,还可以通过 AtomicReference将一个对象的所有操作转化成原子操作。

我们知道,在多线程程序中,诸如i 或i等运算不具有原子性,是不安全的线程操作之一。通常我们会使用 synchronized 将该操作变成一个原子操作,但 JVM 为此类操作特意提供了一些同步类,使得使用更方便,且使程序运行效率变得更高。通过相关资料显示,通常AtomicInteger 的性能是 ReentantLock 的好几倍。

1.8、ReadWriteLock 读写锁

为了提高性能,Java 提供了读写锁,在读的地方使用读锁,在写的地方使用写锁,灵活控制,如果没有写锁的情况下,读是无阻塞的,在一定程度上提高了程序的执行效率。读写锁分为读锁和写锁,多个读锁不互斥,读锁与写锁互斥,这是由jvm 自己控制的,你只要上好相应的锁即可。

  • 读锁

如果你的代码只读数据,可以很多人同时读,但不能同时写,那就上读锁

  • 写锁

如果你的代码修改数据,只能有一个人在写,且不能同时读取,那就上写锁。总之,读的时候上读锁,写的时候上写锁!

Java 中 读 写 锁 有 个 接 口 java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock , 也 有 具 体 的 实 现ReentrantReadWriteLock。

1.9、 共享锁和独占锁

Java 并发包提供的加锁模式分为独占锁和共享锁。

1.9.1、独占锁

独占锁模式下,每次只能有一个线程能持有锁,ReentrantLock 就是以独占方式实现的互斥锁。独占锁是一种悲观保守的加锁策略,它避免了读/读冲突,如果某个只读线程获取锁,则其他读线程都只能等待,这种情况下就限制了不必要的并发性,因为读操作并不会影响数据的一致性。

1.9.2、共享锁

共享锁则允许多个线程同时获取锁,并发访问 共享资源,如:ReadWriteLock。共享锁则是一种乐观锁,它放宽了加锁策略,允许多个执行读操作的线程同时访问共享资源。

  1. AQS 的内部类Node 定义了两个常量 SHARED 和EXCLUSIVE,他们分别标识 AQS 队列中等待线程的锁获取模式。

  2. java 的并发包中提供了ReadWriteLock,读-写锁。它允许一个资源可以被多个读操作访问, 或者被一个 写操作访问,但两者不能同时进行。

1.10、重量级锁(Mutex Lock)

Synchronized 是通过对象内部的一个叫做监视器锁(monitor)来实现的。但是监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的 Mutex Lock 来实现的。而操作系统实现线程之间的切换这就需要从用户态转换到核心态,这个成本非常高,状态之间的转换需要相对比较长的时间,这就是为什么Synchronized 效率低的原因。因此,这种依赖于操作系统 Mutex Lock 所实现的锁我们称之为“重量级锁”。JDK 中对 Synchronized 做的种种优化,其核心都是为了减少这种重量级锁的使用。JDK1.6 以后,为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗,提高性能,引入了“轻量级锁”和“偏向锁”。

1.11、轻量级锁

锁的状态总共有四种:无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。

  • 锁升级

随着锁的竞争,锁可以从偏向锁升级到轻量级锁,再升级的重量级锁(但是锁的升级是单向的, 也就是说只能从低到高升级,不会出现锁的降级)。

“轻量级”是相对于使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的。但是,首先需要强调一点的是, 轻量级锁并不是用来代替重量级锁的,它的本意是在没有多线程竞争的前提下,减少传统的重量 级锁使用产生的性能消耗。在解释轻量级锁的执行过程之前,先明白一点,轻量级锁所适应的场 景是线程交替执行同步块的情况,如果存在同一时间访问同一锁的情况,就会导致轻量级锁膨胀 为重量级锁。

1.12 偏向锁

Hotspot 的作者经过以往的研究发现大多数情况下锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一线程多次获得。偏向锁的目的是在某个线程获得锁之后,消除这个线程锁重入(CAS)的开销,看起来让这个线程得到了偏护。引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径,因为轻量级锁的获取及释放依赖多次 CAS 原子指令,而偏向锁只需要在置换ThreadID 的时候依赖一次CAS 原子指令(由于一旦出现多线程竞争的情况就必须撤销偏向锁,所以偏向锁的撤销操作的性能损耗必须小于节省下来的 CAS 原子指令的性能消耗)。上面说过,轻量级锁是为了在线程交替执行同步块时提高性能,而偏向锁则是在只有一个线程执行同步块时进一步提高性能。

1.13、锁优化

  1. 减少锁持有时间

只用在有线程安全要求的程序上加锁

  1. 减小锁粒度

将大对象(这个对象可能会被很多线程访问),拆成小对象,大大增加并行度,降低锁竞争。降低了锁的竞争,偏向锁,轻量级锁成功率才会提高。最最典型的减小锁粒度的案例就是ConcurrentHashMap。

  1. 锁分离

最常见的锁分离就是读写锁 ReadWriteLock,根据功能进行分离成读锁和写锁,这样读读不互斥,读写互斥,写写互斥,即保证了线程安全,又提高了性能,具体也请查看[高并发 Java 五] JDK 并发包 1。读写分离思想可以延伸,只要操作互不影响,锁就可以分离。比如LinkedBlockingQueue 从头部取出,从尾部放数据

  1. 锁粗化

通常情况下,为了保证多线程间的有效并发,会要求每个线程持有锁的时间尽量短,即在使用完公共资源后,应该立即释放锁。但是,凡事都有一个度,如果对同一个锁不停的进行请求、同步和释放,其本身也会消耗系统宝贵的资源,反而不利于性能的优化 。

  1. 锁消除

锁消除是在编译器级别的事情。在即时编译器时,如果发现不可能被共享的对象,则可以消除这些对象的锁操作,多数是因为程序员编码不规范引起

二、线程上下文切换

2.1、线程的状态

线程相关的基本方法有wait,notify,notifyAll,sleep,join,yield 等。

巧妙地利用了时间片轮转的方式, CPU 给每个任务都服务一定的时间,然后把当前任务的状态保存下来,在加载下一任务的状态后,继续服务下一任务,任务的状态保存及再加载, 这段过程就叫做上下文切换。时间片轮转的方式使多个任务在同一颗 CPU 上执行变成了可能。

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了解上线文切换,首先明确几个概念:

  • 进程:是指一个程序运行的实例。在 Linux 系统中,线程就是能并行运行并且与他们的父进程(创建他们的进程)共享同一地址空间(一段内存区域)和其他资源的轻量级的进程。

  • 上下文: 是指某一时间点 CPU 寄存器和程序计数器的内容

  • 寄存器: 是 CPU 内部的数量较少但是速度很快的内存(与之对应的是 CPU 外部相对较慢的 RAM 主内存)。寄存器通过对常用值(通常是运算的中间值)的快速访问来提高计算机程序运行的速度。

  • 程序计数器:是一个专用的寄存器,用于表明指令序列中 CPU 正在执行的位置,存的值为正在执行的指令的位置或者下一个将要被执行的指令的位置,具体依赖于特定的系统。

  • PCB-“切换桢”: 上下文切换可以认为是内核(操作系统的核心)在 CPU 上对于进程(包括线程)进行切换,上下文切换过程中的信息是保存在进程控制块(PCB, process control block)中的。PCB 还经常被称作“切换桢”(switchframe)。信息会一直保存到CPU 的内存中,直到他们被再次使用。

    2.2、上下文切换的活动:

    1. 挂起一个进程,将这个进程在 CPU 中的状态(上下文)存储于内存中的某处。

    2. 在内存中检索下一个进程的上下文并将其在 CPU 的寄存器中恢复。

    3. 跳转到程序计数器所指向的位置(即跳转到进程被中断时的代码行),以恢复该进程在程序中。

    2.3、引起线程上下文切换的原因:

    1. 当前执行任务的时间片用完之后,系统CPU 正常调度下一个任务;

    2. 当前执行任务碰到 IO 阻塞,调度器将此任务挂起,继续下一任务;

    3. 多个任务抢占锁资源,当前任务没有抢到锁资源,被调度器挂起,继续下一任务;

    4. 用户代码挂起当前任务,让出CPU 时间;

    5. 硬件中断

三、阻塞队列

阻塞队列,关键字是阻塞,先理解阻塞的含义,在阻塞队列中,线程阻塞有这样的两种情况:

1、当队列中没有数据的情况下,消费者端的所有线程都会被自动阻塞(挂起),直到有数据放入队列。

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2、 当队列中填满数据的情况下,生产者端的所有线程都会被自动阻塞(挂起),直到队列中有空的位置,线程被自动唤醒。

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3.1、阻塞队列的主要方法

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  • 抛出异常:抛出一个异常;

  • 特殊值:返回一个特殊值(null 或 false,视情况而定)

  • 阻塞:在成功操作之前,一直阻塞线程

  • 超时:放弃前只在最大的时间内阻塞

3.1.1、插入操作

1、public abstract boolean add(E paramE):将指定元素插入此队列中(如果立即可行且不会违反容量限制),成功时返回 true,如果当前没有可用的空间,则抛出 IllegalStateException。如果该元素是 NULL,则会抛出 NullPointerException 异常。

2、public abstract boolean offer(E paramE):将指定元素插入此队列中(如果立即可行且不会违反容量限制),成功时返回 true,如果当前没有可用的空间,则返回 false。

3、public abstract void put(E paramE) throws InterruptedException: 将指定元素插入此队列中,将等待可用的空间(如果有必要)

public void put(E paramE) throws InterruptedException { 
  checkNotNull(paramE);
ReentrantLock localReentrantLock = this.lock; localReentrantLock.lockInterruptibly();
	try {
		while (this.count == this.items.length) 
    	this.notFull.await();//如果队列满了,则线程阻塞等待
			enqueue(paramE);
			localReentrantLock.unlock();
	} finally { 
    localReentrantLock.unlock();
	}
}

4、offer(E o, long timeout, TimeUnit unit):可以设定等待的时间,如果在指定的时间内,还不能往队列中加入 BlockingQueue,则返回失败。

3.1.2、获取数据操作

1、poll(time):取走 BlockingQueue 里排在首位的对象,若不能立即取出,则可以等 time 参数规定的时间,取不到时返回 null;

2、poll(long timeout, TimeUnit unit):从 BlockingQueue 取出一个队首的对象,如果在指定时间内,队列一旦有数据可取,则立即返回队列中的数据。否则直到时间超时还没有数据可取,返回失败。

3、take():取走 BlockingQueue 里排在首位的对象,若 BlockingQueue 为空,阻断进入等待状态直到 BlockingQueue 有新的数据被加入。

4、drainTo():一次性从 BlockingQueue 获取所有可用的数据对象(还可以指定获取数据的个数),通过该方法,可以提升获取数据效率;不需要多次分批加锁或释放锁。

3.2、Java 中的阻塞队列

  1. ArrayBlockingQueue :由数组结构组成的有界阻塞队列。

  2. LinkedBlockingQueue :由链表结构组成的有界阻塞队列。

  3. PriorityBlockingQueue :支持优先级排序的无界阻塞队列。

  4. DelayQueue:使用优先级队列实现的无界阻塞队列。

  5. SynchronousQueue:不存储元素的阻塞队列。

  6. LinkedTransferQueue:由链表结构组成的无界阻塞队列。

  7. LinkedBlockingDeque:由链表结构组成的双向阻塞队列。

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3.2.1、ArrayBlockingQueue(公平、非公平)

用数组实现的有界阻塞队列。此队列按照先进先出(FIFO)的原则对元素进行排序。默认情况下不保证访问者公平的访问队列,所谓公平访问队列是指阻塞的所有生产者线程或消费者线程,当队列可用时,可以按照阻塞的先后顺序访问队列,即先阻塞的生产者线程,可以先往队列里插入元素,先阻塞的消费者线程,可以先从队列里获取元素。通常情况下为了保证公平性会降低吞吐量。我们可以使用以下代码创建一个公平的阻塞队列:

ArrayBlockingQueue fairQueue = new ArrayBlockingQueue(1000,true);

3.2.2、LinkedBlockingQueue(两个独立锁提高并发)

基于链表的阻塞队列,同ArrayListBlockingQueue 类似,此队列按照先进先出(FIFO)的原则对元素进行排序。而 LinkedBlockingQueue 之所以能够高效的处理并发数据,还因为其对于生产者端和消费者端分别采用了独立的锁来控制数据同步,这也意味着在高并发的情况下生产者和消费者可以并行地操作队列中的数据,以此来提高整个队列的并发性能。

LinkedBlockingQueue 会默认一个类似无限大小的容量(Integer.MAX_VALUE)。

3.2.3、PriorityBlockingQueue(compareTo 排序实现优先)

是一个支持优先级的无界队列。默认情况下元素采取自然顺序升序排列。可以自定义实现compareTo()方法来指定元素进行排序规则,或者初始化 PriorityBlockingQueue 时,指定构造参数Comparator 来对元素进行排序。需要注意的是不能保证同优先级元素的顺序。

3.2.4、DelayQueue(缓存失效、定时任务 )

是一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。队列使用PriorityQueue 来实现。队列中的元素必须实现 Delayed 接口,在创建元素时可以指定多久才能从队列中获取当前元素。只有在延迟期满时才能从队列中提取元素。我们可以将 DelayQueue 运用在以下应用场景:

  • 缓存系统的设计:可以用 DelayQueue 保存缓存元素的有效期,使用一个线程循环查询DelayQueue,一旦能从 DelayQueue 中获取元素时,表示缓存有效期到了。
  • 定时任务调度:使用 DelayQueue 保存当天将会执行的任务和执行时间,一旦从DelayQueue 中获取到任务就开始执行,从比如 TimerQueue 就是使用 DelayQueue 实现的。

3.2.5、SynchronousQueue(不存储数据、可用于传递数据)

是一个不存储元素的阻塞队列。每一个 put 操作必须等待一个 take 操作,否则不能继续添加元素。SynchronousQueue 可以看成是一个传球手,负责把生产者线程处理的数据直接传递给消费者线程。队列本身并不存储任何元素,非常适合于传递性场景,比如在一个线程中使用的数据,传递给 另 外 一 个 线 程 使 用 , SynchronousQueue 的 吞 吐 量 高 于 LinkedBlockingQueue 和ArrayBlockingQueue。

3.2.6、LinkedTransferQueue

是一 个由链表 结构组成的 无界阻 塞 TransferQueue 队列 。 相对于其 他阻塞队 列, LinkedTransferQueue 多了 tryTransfer 和transfer 方法。

  1. transfer 方法:如果当前有消费者正在等待接收元素(消费者使用 take()方法或带时间限制的poll()方法时),transfer 方法可以把生产者传入的元素立刻 transfer(传输)给消费者。如果没有消费者在等待接收元素,transfer 方法会将元素存放在队列的 tail 节点,并等到该元素被消费者消费了才返回。

  2. tryTransfer 方法。则是用来试探下生产者传入的元素是否能直接传给消费者。如果没有消费者等待接收元素,则返回 false。和 transfer 方法的区别是 tryTransfer 方法无论消费者是否接收,方法立即返回。而 transfer 方法是必须等到消费者消费了才返回。

对于带有时间限制的tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)方法,则是试图把生产者传入的元素直接传给消费者,但是如果没有消费者消费该元素则等待指定的时间再返回,如果超时还没消费元素,则返回false,如果在超时时间内消费了元素,则返回true

3.2.7、LinkedBlockingDeque

是一个由链表结构组成的双向阻塞队列。所谓双向队列指的你可以从队列的两端插入和移出元素。双端队列因为多了一个操作队列的入口,在多线程同时入队时,也就减少了一半的竞争。相比其 他的阻塞队列, LinkedBlockingDeque 多了 addFirst , addLast , offerFirst , offerLast , peekFirst,peekLast 等方法,以 First 单词结尾的方法,表示插入,获取(peek)或移除双端队列的第一个元素。以 Last 单词结尾的方法,表示插入,获取或移除双端队列的最后一个元素。另外插入方法 add 等同于 addLast,移除方法 remove 等效于 removeFirst。但是 take 方法却等同于 takeFirst,不知道是不是 Jdk 的 bug,使用时还是用带有 First 和 Last 后缀的方法更清楚。

在初始化 LinkedBlockingDeque 时可以设置容量防止其过渡膨胀。另外双向阻塞队列可以运用在“工作窃取”模式中。


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