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《JAVA從入門到??》Java多執行緒DAY02

2021-09-15 13:40:22 區塊鏈

一、多執行緒安全

如果有多個執行緒同時運行同一個實作了Runnable介面的類,程式每次運行結果和單執行緒運行的結果是不一樣的,而且其他的變數的值也和預期的是一樣的,就是執行緒安全的;反之,則執行緒是不安全的,

執行緒安全問題都是有全域變數及靜態變數引起的,
若每一個執行緒對全域變數、靜態變數只讀,不寫,一般來說,這個變數是執行緒安全的,
若有多個執行緒同時執行寫操作,一般都需要考慮執行緒同步,否則的話就可能影響執行緒安全,

多個執行緒搶占CPU時間片->讀寫(CPU→高速快取→本地快取):產生了并發不安全的問題,綜上所述,執行緒安全問題的根本原因有:
1、多個執行緒在操作共享的資料;
2、操作共享資料的執行緒代碼有多條;
3、多個執行緒對共享資料有寫操作;

二、執行緒同步

當我們使用多個執行緒訪問同一資源的時候,且多個執行緒中對資源有寫的操作,就容易出現執行緒安全問題, 要解決上述多執行緒并發訪問一個資源的安全性問題:也就是解決重復票與不存在票問題,Java中提供了同步機制 (synchronized)來解決,

為了保證每個執行緒都能正常執行原子操作,java引入了執行緒同步機制,有以下三種方式完成同步操作:
1、同步方法
使用synchronized修飾的方法,就稱為同步方法保證A執行緒執行該方法的時候,其他執行緒只能在方法外等待,

public synchronized void method(){
//codes
}

優點:保證并發時,只有一個物件進入方法,
缺點:如果方法中有大量邏輯代碼(與要鎖的內容無關),執行效率就降低,可以使用靜態方法鎖,因為它優先于物件靜態方法鎖本身是.class位元組碼檔案,
2、同步代碼塊
synchronized 關鍵字可以用于方法中的某個區塊中,表示只對這個區塊的資源實行互斥訪問,

格式:

synchronized(同步鎖){ 

需要同步操作的代碼 

}

同步鎖:

物件的同步鎖只是一個概念,可以想象為在物件上標記了一個鎖.

1、鎖物件可以是任意型別,
2、多個執行緒物件要使用同一把鎖,

注意:在任何時候,最多允許一個執行緒擁有同步鎖,誰拿到鎖就進入代碼塊,其他的執行緒只能在外等著 (BLOCKED),
優點:效率高
缺點:認真觀察、有技巧鎖對應的代碼塊,不然容易該鎖的沒鎖住,不該鎖的卻鎖了,

3、鎖機制
java.util.concurrent.locks.Lock 機制提供了比synchronized代碼塊和synchronized方法更廣泛的鎖定操作,同步代碼塊/同步方法具有的功能Lock都有,除此之外更強大更體現面向物件,

public void lock() :加同步鎖,
public void unlock() :釋放同步鎖,

synchronized和Lock區別

1. synchronized是java內置關鍵字,在jvm層面,Lock是個java介面;
2. synchronized無法判斷是否獲取鎖的狀態,Lock可以判斷是否獲取到鎖;
3. synchronized會自動釋放鎖(a執行緒執行完同步代碼會釋放鎖 ;b執行緒執行程序中發生例外會釋放鎖),Lock需在finally中手工釋放鎖(unlock()方法釋放鎖),否則容易造成執行緒死鎖;
4. 用synchronized關鍵字的兩個執行緒1和執行緒2,如果當前執行緒1獲得鎖,執行緒2執行緒等待,如果執行緒1阻塞,執行緒2則會一直等待下去,而Lock鎖就不一定會等待下去,如果嘗試獲取不到鎖,執行緒可以不用一直等待就結束了;
5. synchronized的鎖可重入、不可中斷、非公平,而Lock鎖可重入、可判斷、可公平(兩者皆可)
6. Lock鎖適合大量同步的代碼的同步問題,synchronized鎖適合代碼少量的同步問題,

三、執行緒死鎖

多執行緒以及多行程改善了系統資源的利用率并提高了系統的處理能力,然而,并發執行也帶來了新的問題–死鎖,
所謂死鎖是指多個執行緒因競爭資源而造成的一種僵局(互相等待),若無外力作用,這些行程都將無法向前推進,

死鎖產生的必要條件

以下這四個條件是死鎖的必要條件,只要系統發生死鎖,這些條件必然成立,而只要上述條件之一不滿足,就不會發生死鎖,

1. 互斥條件

行程要求對所分配的資源(如列印機)進行排他性控制,即在一段時間內某資源僅為一個行程所占有,此時若有其他行程請求該資源,則請求行程只能等待,

2. 不可剝奪條件

行程所獲得的資源在未使用完畢之前,不能被其他行程強行奪走,即只能由獲得該資源的行程自己來釋放(只能是主動釋放),

3.請求與保持條件

行程已經保持了至少一個資源,但又提出了新的資源請求,而該資源已被其他行程占有,此時請求行程被阻塞,但對自己已獲得的資源保持不放,

4.回圈等待條件

存在一種行程資源的回圈等待鏈,鏈中每一個行程已獲得的資源同時被 鏈中下一個行程所請求,即存在一個處于等待狀態的行程集合{Pl, P2, …, pn},其中Pi等 待的資源被P(i+1)占有(i=0, 1, …, n-1),Pn等待的資源被P0占有,

死鎖處理
預防死鎖:通過設定某些限制條件,去破壞產生死鎖的四個必要條件中的一個或幾個條件,來防止死鎖的發生,

避免死鎖:在資源的動態分配程序中,用某種方法去防止系統進入不安全狀態,從而避免死鎖的發生,

檢測死鎖:允許系統在運行程序中發生死鎖,但可設定檢測機構及時檢測死鎖的發生,并采取適當措施加以清除,

解除死鎖:當檢測出死鎖后,便采取適當措施將行程從死鎖狀態中解脫出來,

死鎖預防

預防死鎖是設法至少破壞產生死鎖的四個必要條件之一,嚴格的防止死鎖的出現,
1)破壞“互斥”條件
“互斥”條件是無法破壞的,因此,在死鎖預防里主要是破壞其他幾個必要條件,而不去涉及破壞“互斥”條件,

2)破壞“占有并等待”條件
破壞“占有并等待”條件,就是在系統中不允許行程在已獲得某種資源的情況下,申請其他資源,即要想出一個辦法,阻止行程在持有資源的同時申請其他資源,
方法一:一次性分配資源,即創建行程時,要求它申請所需的全部資源,系統或滿足其所有要求,或什么也不給它,
方法二:要求每個行程提出新的資源申請前,釋放它所占有的資源,這樣,一個行程在需要資源S時,須先把它先前占有的資源R釋放掉,然后才能提出對S的申請,即使它可能很快又要用到資源R,

3)破壞“不可搶占”條件
破壞“不可搶占”條件就是允許對資源實行搶奪,
方法一:如果占有某些資源的一個行程進行進一步資源請求被拒絕,則該行程必須釋放它最初占有的資源,如果有必要,可再次請求這些資源和另外的資源,
方法二:如果一個行程請求當前被另一個行程占有的一個資源,則作業系統可以搶占另一個行程,要求它釋放資源,只有在任意兩個行程的優先級都不相同的條件下,方法二才能預防死鎖,

4)破壞“回圈等待”條件
破壞“回圈等待”條件的一種方法,是將系統中的所有資源統一編號,行程可在任何時刻提出資源申請,但所有申請必須按照資源的編號順序(升序)提出,這樣做就能保證系統不出現死鎖,

四、 執行緒通訊

為什么要執行緒通信:多個執行緒并發執行時,在默認情況下CPU是隨機切換執行緒的,有時我們希望CPU按我們的規律執行執行緒,此時就需要執行緒之間協調通信,
執行緒間通信常用方式如下,休眠喚醒方式:
Object的wait、notify、notifyAll
Condition的await、signal、signalAll
CountDownLatch:用于某個執行緒A等待若干個其他執行緒執行完之后,它才執行
CyclicBarrier:一組執行緒等待至某個狀態之后再全部同時執行
Semaphore:用于控制對某組資源的訪問權限

代碼示例:

public class Movie {
   private String movieName;
   /**
    * 信號燈:生產者為T-生產者生產,消費者F等待
    *         消費者為T-消費者消費,生產者F等待
    */
   private boolean flag = true;
   /**
    * 放置片子
    */
   public synchronized void player(String movieName){
      if(!flag){
         try {
            this.wait();
         } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
         }
      }
      System.out.println("放置:"+movieName);
      this.movieName = movieName;
      flag = false;
//      this.notify();//喚醒另一個執行緒
      this.notifyAll(); //喚醒所有執行緒
   }

   /**
    * 看片
    */
   public synchronized void watch(){
      if(flag){
         try {
            this.wait();//等待
         } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
         }
      }
      System.out.println("觀看:"+this.movieName);
      flag = true;
      this.notify();//喚醒另一個執行緒
   }
}
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