学习笔记并发编程并发编程:共享模型之管程
SerMs什么是管程(Monitor)
管程(Monitor)是一种并发编程的模型和技术,用于解决多线程之间的互斥访问和条件等待的问题。它是由荷兰计算机科学家 Edsger Dijkstra 在 1971 年提出的一种同步机制。
管程提供了一种方式让多个线程能够协调彼此的执行,确保在任意时刻只有一个线程可以访问共享资源,从而避免了线程间的竞争条件(Race Condition)和数据不一致的问题。
管程通常由以下几个要素组成:
互斥锁(Mutex):用于实现对共享资源的互斥访问,保证同一时刻只有一个线程可以进入管程进行操作。
条件变量(Condition Variable):用于实现线程间的条件等待和通知机制。线程可以在条件不满足的情况下等待,并在条件满足时被唤醒继续执行。
入口队列(Entry Queue):用于存放等待访问资源的线程队列。
管程内部方法:包括对资源的操作和对条件变量的操作等。
通过管程,可以将对共享资源的访问限制在管程的范围内,线程在进入管程之前需要获得管程的互斥锁,如果资源被占用,线程将进入入口队列等待;当某个线程完成对共享资源的操作后,会释放互斥锁并唤醒等待队列中的某个线程继续执行。
管程的主要优点是提供了一种高层次的抽象和封装,简化了多线程编程的复杂性,提供了一种结构化的方式来管理线程之间的同步和协作。它可以有效地避免死锁(Deadlock)和饥饿(Starvation)等并发编程中常见的问题。
举例
在多线程中有A、B两个线程同时需要修改某一个共享资源,线程A从内存中读取共享资源,但还未来得及提交修改,或者处于休眠状态;同时,线程B获取到同一个共享资源并进行了修改,然后将修改后的值放回内存中。接着,当线程A继续执行并将它的修改放回内存时,它会覆盖线程B之前的修改,从而导致最终的结果不一致
上述例子也就体现了,线程A和线程B同时竞争修改共享资源,其操作顺序可能会导致不一致的结果,因此我们可以采用同步机制,管程或锁机制来确保只有一个线程可以修改资源
Java体现资源争抢
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| static int counter = 0; public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 5000; i++) { counter++; } }, "t1"); Thread t2 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < 5000; i++) { counter--; } }, "t2"); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); log.debug("{}",counter); }
|
以上的结果可能为负数、正数或0,因为Java中对静态变量的自增或自减操作并不是原子性操作
临界区 Critical Section
- 一个程序运行多个线程本身是没有问题的
- 问题出在多个线程访问共享资源
- 多个线程读共享资源其实也没有问题
- 在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错,就会出现问题
- 一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作,称这段代码块为临界区 例如,下面代码中的临界区
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| static int counter = 0; static void increment() { counter++; } static void decrement() { counter--; }
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竞态条件 Race Condition
多个线程在临界区内执行,由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测,称之为发生了竞态条件
synchronized
为了避免临界区的竞态条件发生,有多种手段可以达到目的。
- 阻塞式的解决方案:synchronized,Lock
- 非阻塞式的解决方案:原子变量
synchronized 即俗称的【对象锁】,它采用互斥的方式让同一 时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】,其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码,不用担心线程上下文切换(也就是线程切换)
注意
虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成,但它们还是有区别的:
- 互斥是保证临界区的竞态条件发生,同一时刻只能有一个线程执行临界区代码
- 同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点
语法
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| synchronized(对象) { 临界区 }
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解决
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@Slf4j(topic = "c.Test04") public class Test04 { static int counter = 0; public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread t1 = new Thread(() -> { synchronized (Test04.class) { for (int i = 0; i < 5000; i++) { counter++; } } }, "t1"); Thread t2 = new Thread(() -> { synchronized(Test04.class){ for (int i = 0; i < 5000; i++) { counter--; } } }, "t2"); t1.start(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); log.debug("{}",counter); } }
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方法上的 synchronized
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| class Test{ public synchronized void test() {
} } 等价于 class Test{ public void test() { synchronized(this) {
} } }
|
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| class Test{ public synchronized static void test() { } } 等价于 class Test{ public static void test() { synchronized(Test.class) {
} } }
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Monitor概念
Java 对象头
普通对象
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| |--------------------------------------------------------------| | Object Header (64 bits) | |------------------------------------|-------------------------| | Mark Word (32 bits) | Klass Word (32 bits) | |------------------------------------|-------------------------|
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数组对象
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| |---------------------------------------------------------------------------------| | Object Header (96 bits) | |--------------------------------|-----------------------|------------------------| | Mark Word(32bits) | Klass Word(32bits) | array length(32bits) | |--------------------------------|-----------------------|------------------------|
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其中 Mark Word 结构为
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| |-------------------------------------------------------|--------------------| | Mark Word (32 bits) | State | |-------------------------------------------------------|--------------------| | hashcode:25 | age:4 | biased_lock:0 | 01 | Normal | |-------------------------------------------------------|--------------------| | thread:23 | epoch:2 | age:4 | biased_lock:1 | 01 | Biased | |-------------------------------------------------------|--------------------| | ptr_to_lock_record:30 | 00 | Lightweight Locked | |-------------------------------------------------------|--------------------| | ptr_to_heavyweight_monitor:30 | 10 | Heavyweight Locked | |-------------------------------------------------------|--------------------| | | 11 | Marked for GC | |-------------------------------------------------------|--------------------|
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64位虚拟机Mark Word
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| |--------------------------------------------------------------------|--------------------| | Mark Word (64 bits) | State | |--------------------------------------------------------------------|--------------------| | unused:25 | hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:0 | 01 | Normal| |--------------------------------------------------------------------|--------------------| | thread:54 | epoch:2 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | 01 | Biased | |--------------------------------------------------------------------|--------------------| | ptr_to_lock_record:62 | 00 | Lightweight Locked | |--------------------------------------------------------------------|--------------------| | ptr_to_heavyweight_monitor:62 | 10 | Heavyweight Locked | |--------------------------------------------------------------------|--------------------| | | 11 | Marked for GC | |--------------------------------------------------------------------|--------------------|
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上图所示,其实Monitor就是充当一个锁,只要是同一个对象,都会跟同一个Monitor相关联
- Monitor 被翻译为监视器或管程
- 每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象,如果使用 synchronized 给对象上锁(重量级)之后,该对象头的 Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针
Monitor 结构如下
- 刚开始 Monitor 中 Owner 为 null
- 当 Thread-2 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-2,Monitor中只能有一 个 Owner
- 在 Thread-2 上锁的过程中,如果 Thread-3,Thread-4,Thread-5 也来执行 synchronized(obj),就会进入 EntryList BLOCKED
- Thread-2 执行完同步代码块的内容,然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁,竞争的时是非公平的
- 图中 WaitSet 中的 Thread-0,Thread-1 是之前获得过锁,但条件不满足进入 WAITING 状态的线程,后面讲 wait-notify 时会分析
注意:
- synchronized 必须是进入同一个对象的 monitor 才有上述的效果
- 不加 synchronized 的对象不会关联监视器,不遵从以上规则
Monitor原理之synchronize
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| static final Object lock = new Object(); static int counter = 0; public static void main(String[] args) { synchronized (lock) { counter++; } }
public static void main(java.lang.String[]); descriptor: ([Ljava/lang/String;)V flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC Code: stack=2, locals=3, args_size=1 0: getstatic #2 3: dup 4: astore_1 5: monitorenter 6: getstatic #3 9: iconst_1 10: iadd 11: putstatic #3 14: aload_1 15: monitorexit 16: goto 24 19: astore_2 20: aload_1 21: monitorexit 22: aload_2 23: athrow 24: return Exception table: from to target type 6 16 19 any 19 22 19 any LineNumberTable: line 8: 0 line 9: 6 line 10: 14 line 11: 24 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 25 0 args [Ljava/lang/String; StackMapTable: number_of_entries = 2 frame_type = 255 offset_delta = 19 locals = [ class "[Ljava/lang/String;", class java/lang/Object ] stack = [ class java/lang/Throwable ] frame_type = 250 offset_delta = 4
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