Java併發編程解析 | 基於JDK源碼解析Java領域中併發鎖之同步器Semaphore,CyclicBarrier以及CountDownLatch等的設計思想與實現原理 (四)

来源:https://www.cnblogs.com/mazhilin/archive/2022/09/22/16717828.html
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蒼穹之邊,浩瀚之摯,眰恦之美; 悟心悟性,善始善終,惟善惟道! —— 朝槿《朝槿兮年說》 寫在開頭 在併發編程領域,有兩大核心問題:一個是互斥,即同一時刻只允許一個線程訪問共用資源;另一個是同步,即線程之間如何通信、協作。主要原因是,對於多線程實現實現併發,一直以來,多線程都存在2個問題: 線程之間 ...


蒼穹之邊,浩瀚之摯,眰恦之美; 悟心悟性,善始善終,惟善惟道! —— 朝槿《朝槿兮年說》


寫在開頭

在併發編程領域,有兩大核心問題:一個是互斥,即同一時刻只允許一個線程訪問共用資源;另一個是同步,即線程之間如何通信、協作。
主要原因是,對於多線程實現實現併發,一直以來,多線程都存在2個問題:

  • 線程之間記憶體共用,需要通過加鎖進行控制,但是加鎖會導致性能下降,同時複雜的加鎖機制也會增加編程編碼難度
  • 過多線程造成線程之間的上下文切換,導致效率低下

因此,在併發編程領域中,一直有一個很重要的設計原則: “ 不要通過記憶體共用來實現通信,而應該通過通信來實現記憶體共用。”
簡單來說,就是儘可能通過消息通信,而不是記憶體共用來實現進程或者線程之間的同步。

關健術語


本文用到的一些關鍵詞語以及常用術語,主要如下:

  • 併發(Concurrent): 在操作系統中,是指一個時間段中有幾個程式都處於已啟動運行到運行完畢之間,且這幾個程式都是在同一個處理機上運行。
  • 並行(Parallel): 當系統有一個以上CPU時,當一個CPU執行一個進程時,另一個CPU可以執行另一個進程,兩個進程互不搶占CPU資源,可以同時進行。
  • 信號量(Semaphore):  是在多線程環境下使用的一種設施,是可以用來保證兩個或多個關鍵代碼段不被併發調用,也是作系統用來解決併發中的互斥和同步問題的一種方法。
  • 信號量機制(Semaphores): 用來解決同步/互斥的問題的,它是1965年,荷蘭學者 Dijkstra提出了一種卓有成效的實現進程互斥與同步的方法。
  • 管程(Monitor) :  一般是指管理共用變數以及對共用變數的操作過程,讓它們支持併發的一種機制。
  • 互斥(Mutual Exclusion):一個公共資源同一時刻只能被一個進程或線程使用,多個進程或線程不能同時使用公共資源。即就是同一時刻只允許一個線程訪問共用資源的問題。
  • 同步(Synchronization):兩個或兩個以上的進程或線程在運行過程中協同步調,按預定的先後次序運行。即就是線程之間如何通信、協作的問題。
  • 對象池(Object Pool): 指的是一次性創建出 N 個對象,之後所有的線程重覆利用這 N 個對象,當然對象在被釋放前,也是不允許其他線程使用的, 一般指保存實例對象的容器。

基本概述

在Java領域中,我們可以將鎖大致分為基於Java語法層面(關鍵詞)實現的鎖和基於JDK層面實現的鎖。

在Java領域中, 尤其是在併發編程領域,對於多線程併發執行一直有兩大核心問題:同步和互斥。其中:

  • 互斥(Mutual Exclusion):一個公共資源同一時刻只能被一個進程或線程使用,多個進程或線程不能同時使用公共資源。即就是同一時刻只允許一個線程訪問共用資源的問題。
  • 同步(Synchronization):兩個或兩個以上的進程或線程在運行過程中協同步調,按預定的先後次序運行。即就是線程之間如何通信、協作的問題。

針對對於這兩大核心問題,利用管程是能夠解決和實現的,因此可以說,管程是併發編程的萬能鑰匙。
雖然,Java在基於語法層面(synchronized 關鍵字)實現了對管程技術,但是從使用方式和性能上來說,內置鎖(synchronized 關鍵字)的粒度相對過大,不支持超時和中斷等問題。
為了彌補這些問題,從JDK層面對其“重覆造輪子”,在JDK內部對其重新設計和定義,甚至實現了新的特性。
在Java領域中,從JDK源碼分析來看,基於JDK層面實現的鎖大致主要可以分為以下4種方式:

  • 基於Lock介面實現的鎖:JDK1.5版本提供的ReentrantLock類
  • 基於ReadWriteLock介面實現的鎖:JDK1.5版本提供的ReentrantReadWriteLock類
  • 基於AQS基礎同步器實現的鎖:JDK1.5版本提供的併發相關的同步器Semaphore,CyclicBarrier以及CountDownLatch等
  • 基於自定義API操作實現的鎖:JDK1.8版本中提供的StampedLock類

從閱讀源碼不難發現,在Java SDK 併發包主要通過AbstractQueuedSynchronizer(AQS)實現多線程同步機制的封裝與定義,而通過Lock 和 Condition 兩個介面來實現管程,其中 Lock 用於解決互斥問題,Condition 用於解決同步問題。


一.AQS基礎同步器基本理論

在Java領域中,同步器是專門為多線程併發設計的同步機制,主要是多線程併發執行時線程之間通過某種共用狀態來實現同步,只有當狀態滿足這種條件時線程才往下執行的一種同步機制。


一個標準的AQS同步器主要有同步狀態機制,等待隊列,條件隊列,獨占模式,共用模式等五大核心要素組成。
在Java領域中,JDK的JUC(java.util.concurrent.)包中提供了各種併發工具,但是大部分同步工具的實現基於AbstractQueuedSynchronizer類實現,其內部結構主要如下:

  • 同步狀態機制(Synchronization Status):主要用於實現鎖(Lock)機制,是指同步狀態,其要求對於狀態的更新必須原子性的
  • 等待隊列(Wait Queue):主要用於存放等待線程獲取到的鎖資源,並且把線程維護到一個Node(節點)裡面和維護一個非阻塞的CHL Node FIFO(先進先出)隊列,主要是採用自旋鎖+CAS操作來保證節點插入和移除的原子性操作。
  • 條件隊列(Condition Queue):用於實現鎖的條件機制,一般主要是指替換“等待-通知”工作機制,主要是通過ConditionObject對象實現Condition介面提供的方法實現。
  • 獨占模式(Exclusive Mode):主要用於實現獨占鎖,主要是基於靜態內部類Node的常量標誌EXCLUSIVE來標識該節點是獨占模式
  • 共用模式(Shared Mode):主要用於實現共用鎖,主要是基於靜態內部類Node的常量標誌SHARED來標識該節點是共用模式

我們可以得到一個比較通用的併發同步工具基礎模型,大致包含如下幾個內容,其中:

  • 條件變數(Conditional Variable): 利用線程間共用的變數進行同步的一種工作機制
  • 共用變數((Shared Variable)):一般指對象實體對象的成員變數和屬性
  • 阻塞隊列(Blocking Queue):共用變數(Shared Variable)及其對共用變數的操作統一封裝
  • 等待隊列(Wait Queue):每個條件變數都對應有一個等待隊列(Wait Queue),內部需要實現入隊操作(Enqueue)和出隊操作(Dequeue)方法
  • 變數狀態描述機(Synchronization Status):描述條件變數和共用變數之間狀態變化,又可以稱其為同步狀態
  • 工作模式(Operation Mode): 線程資源具有排他性,因此定義獨占模式和共用模式兩種工作模式

綜上所述,條件變數和等待隊列的作用是解決線程之間的同步問題;共用變數與阻塞隊列的作用是解決線程之間的互斥問題。

二. JDK顯式鎖統一概念模型

在併發編程領域,有兩大核心問題:一個是互斥,即同一時刻只允許一個線程訪問共用資源;另一個是同步,即線程之間如何通信、協作。

綜合Java領域中的併發鎖的各種實現與應用分析來看,一把鎖或者一種鎖,基本上都會包含以下幾個方面:

  • 鎖的同步器工作機制:主要是考慮共用模式還是獨享模式,是否支持超時機制,以及是否支持超時機制?
  • 鎖的同步器工作模式:主要是基於AQS基礎同步器封裝內部同步器,是否考慮公平/非公平模式?
  • 鎖的狀態變數機制: 主要鎖的狀態設置,是否共用狀態變數?
  • 鎖的隊列封裝定義:主要是指等待隊列和條件隊列,是否需要條件隊列或者等待隊列定義?
  • 鎖的底層實現操作: 主要是指底層CL鎖和CAS操作,是否需要考慮自旋鎖或者CAS操作實例對象方法?
  • 鎖的組合實現新鎖: 主要是基於獨占鎖和共用鎖,是否考慮對應API自定義操作實現?

綜上所述,大致可以根據上述這些方向,我們便可以清楚

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