Java concurrency basics

来自WHY42

线程是操作系统中进行运算调度的最小单位，它是一个单一顺序的控制流，不论是对于单核还是多核的CPU，都能比较有效的提高程序的吞吐率。在Java中，创建一个线程的唯一方法是创建一个Thread类的实例，并调用start()方法以启动该线程。然而当多个线程同时执行时，如何保证线程之间是按照我们期待的方式在运行呢？Java提供了多种机制来保证多个线程之间的交互。

同步(Synchronization)与监视器(Monitor)机制

显而易见最基本最常见的和多线程有关的就是同步synchronized关键字了，它底层是使用Monitor实现的。那么究竟什么是Monitor呢？根据JavaSE Specification的描述，在Java中，每一个对象都有一个与之关联的monitor，允许线程可以去lock或者>unlock这个monitor。实际上：

  • monitor是独立于Java语言之上的一个概念（没想到还有另外一个名字管程），保证在运行线程之前获取互斥锁
  • 在Java中，任何对象(java.lang.Object)都可以允许作为一个monitor，所以会有wait、notify之类的方法

synchronized可以作用于代码块或者方法上。如果作用在代码块上，它会尝试去lock这个对象的monitor，如果不成功将会等待直到lock成功。而当执行完毕后，无论是否出现异常，都将会释放这个锁。

如果作用在方法上，唯一的区别在于，如果是实例方法，那么将使用这个实例作为monitor，也就是this；如果是静态方法，那么使用的是所在类的Class对象。

Wait/Notify

每一个Object都包含一个等待线程的集合(Wait set)。当对象创建的时候，这个队列是空的，当调用Object.wait()、Object.nofity()以及Object.nofityAll()方法的时候，会自动添加或者移除队列中的线程。或者当线程的中断状态发生改变的时候，也会引起变化。

Wait

调用wait方法将使当前线程休眠直到另一个线程通过notify或者notifyAll来唤醒。当前线程必须持有该对象的锁，调用</syntaxhighlight>wait</syntaxhighlight>后即释放锁。当线程被唤醒时，需要重新取得锁并继续执行。然而，线程被唤醒有可能是因为“虚假唤醒”（spurious wakeups）导致，所以通常都需要将</syntaxhighlight>wait</syntaxhighlight>检测的逻辑包括在一个loop中： 

synchronized (obj) {
    while (<condition does not hold>)
        obj.wait();
    // Perform action appropriate to condition
}

所谓虚假唤醒就是说，本来不该唤醒的时候唤醒了。究其原因是在操作系统层面就性能和正确性做出了权衡，放弃了正确性而选择让程序自己去处理。

> Spurious wakeups may sound strange, but on some multiprocessor systems, making condition wakeup completely predictable might substantially slow all condition variable operations.

Notify

调用notify将唤醒一个正在等待持有该对象锁的线程，如果有多个对象在等待的话，将会随机唤醒其中的一个。

被唤醒的线程必须等到当前线程释放锁之后，才能开始执行；也就是说notify执行完之后，并不会立即释放锁，而是需要等到同步块执行完。

如果调用notifyAll的话，所有等待的线程将被唤醒，但同一时间有且仅有一个线程能取到锁并继续执行。

Interruption

当调用Thread.interrupt时，线程的中断状态呗设置为true。如果该线程在某个对象的waitSet中，则将会被从等待队列中移除，并在取得锁之后抛出InterruptedException。实际上，如果线程正在执行的是一些底层的blocking函数例如Thread.sleep(), Thread.join(), 或者 Object.wait()的时候，那么线程将抛出</syntaxhighlight>InterruptedException</syntaxhighlight>，并且interrupted状态会被清除；否则只会将</syntaxhighlight>interrupted</syntaxhighlight>状态设置为</syntaxhighlight>true</syntaxhighlight>。

如果一个处于等待队列中的线程同时收到中断和通知，那么可能的行为是：

  • 先收到通知，正常唤醒。这时候，Thread.interrupted将为true，
  • 抛出InterruptedException并退出

同样，如果有多个线程处于对象m的等待队列中，然后另一个线程执行m.notify，那么可能：

  • 至少有一个线程正常退出wait
  • 所有处于等待队列中的线程抛出InterruptedException而退出

需要注意的是，当一个线程中断了另一个线程的时候，被中断的线程并不是需要立即停止执行，程序可以选择在停止之前做一些清理工作之类的。通常如果捕获了InterruptedException只需要重新抛出即可，有些时候不能重新抛出的时候，需要将当前线程标记为interrupted使得上层堆栈的程序可以选择处理， 

try {
    while (true) {
        Task task = queue.take(10, TimeUnit.SECONDS);
        task.execute();
    }
}catch (InterruptedException e) { 
    Thread.currentThread().interrupt();
}

线程的生命周期

每一个线程有一个生命周期，包含多个状态：

  • New: 线程创建还未开始执行，线程创建完之后即为此状态
  • Runnable: 在JVM中正在执行的状态。当线程start之后，即变为runnable状态
  • Blocked: 线程等待获取锁而被阻塞
  • Waiting: 线程等待其他线程
  • Timed Waiting: 有超时的等待
  • Terminated: 线程已被退出

Life cycle of a thread

Sleep / Yield

当调用线程的sleep方法将导致线程暂时停止执行，值得注意的是并不会释放锁。而当线程的yield方法被调用时，意味着通知CPU当前线程可以“暂缓”执行的，实际很少使用。

>It is rarely appropriate to use this method. It may be useful for debugging or testing purposes, where it may help to reproduce bugs due to race conditions.

Context switching

在多线程中，CPU会为每个线程分配时间片区执行，即执行当前线程的一部分操作之后，操作系统需要从当前线程切换到其他线程中去。通常在下列的情况下会出现context switching:

  • 多任务处理（即多个线程正常执行）
  • 中断，


那么在这个切换的过程中，会发生一些什么事情呢？


参考：

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