Blog:理解Java并发(1):基本机制

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。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,所以会有waitnotify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,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,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wait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wait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InterruptedException,并且interrupted状态会被清除;否则只会将interrupted状态设置为true

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

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: