Java并发编程一(理论篇)

前言:本系列致力于理清并发编程的理论(其一)和使用Java程序实现并发编程(其二)

多线程的优势

  • 发挥多处理器的优势
  • 建模更加简单

第一点很好理解:处理器的调度单位是线程,如果程序只有一个线程,最多只能同时在一台处理器上运行,不能发挥多处理器的效率。
第二点,简单点说,就是分工协作。例如一个程序有几个不同的任务可以并发执行,那么在实现过程中,就可以根据任务的不同,在不同的线程中来完成不同的任务。例如:JVM中的垃圾收集器。

其实多线程的优势有很多,知识相对理论化,我们在最开始提到这些知识点,理由很简单:『如果要做一件事,总得知道为什么要做吧!』

多线程带来的风险

  • 安全性问题
  • 活跃性问题
  • 性能问题

线程安全性

概念上来说:如果多个线程访问一个类,不管处理器采用何种调度顺序执行,这个类都能表现出正确的行为——那么这个类就是『线程安全』的。
简言之:一个类的行为和其规范完全一致。

//计数器程序
public int count(){
  return value++;
}

value++实际包含三个操作步骤:
read value(假设为1) --> 1+1=2 --> write 2 to value
所以很容易发生这种情况:

Time T1 T2 T3 T4
线程A read value 9 9+1=10 write value with 10
线程B read value 9 9+1=10 write value with 10

虽然有两个线程调用了计数器程序,但是因为处理器的交替执行,导致最终的结果与期望结果不符合,所以这个方法『不是线程安全』的。

活跃性问题

例如:死锁、饥饿、活锁。

性能问题

多线程程序中,线程调度器临时挂起活跃线程,转而执行执行另外一个线程时,需要执行『上下文切换』操作,这些操作也会占用系统资源。所以,只有在设计良好的并发应用程序中,多线程才能提高程序的效率。

共享状态和原子操作

共享状态很好理解,例如前面的例子中的count方法。如果线程A和线程B同时都调用了同一个对象object的count方法,那么,这两个线程都可以同时访问对象object的value域,对象就处于共享状态。

原子操作。前面提到的count++我们已经提到了,实际处理过程中包含三个步骤,所以并不是原子操作。

综合以上两点:一个对象处在共享状态中,并且对于对象的共享状态变量修改操作不是原子操作,这样一个对象,肯定不是线程安全的。那么想要保证对象的线程安全性,只能确保对于对象的修改操作是原子性的。

原子变量类 & 加锁机制

原子变量类估计很少有人听说,因为这种方法很少使用,这里简单介绍:例如,可以使用AtomicLong代替Long或者int类型的count,用于计数。

//声明为final可确保不被在程序无意修改
private final AtomicLong count = new AtomicLong(0);
count.incrementAndGet();//原子操作

加锁机制就是指我们常用的Java内置锁:同步代码块(Synchronized block)机制。一个同步代码块可以看成一个原子操作。

Java中的同步代码块实际包括两个部分:一是作为『锁』的对象引用,也就是共享的可变变量;二是作为由这个锁保护的同步代码块。

Synchronized(object) {  //object作为锁的对象引用
  //同步代码块
}

我们经常能看到以关键字Synchronized来修饰的方法,其实际上就是一个横跨整个方法体的同步代码块。

重入:一个线程可以获得一个已经由它自己持有的锁。Java内置锁为可重入的锁。

未完待续。。。

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