并发4️⃣管程①问题引入、synchronized

1、共享的问题

1.1、故事引入

老王（操作系统）有一个算盘（CPU）

张三和李四是同一个客栈的伙计，张三负责收钱、李四负责采购。

二人互不知道对方的资金情况。

张三（线程）要来借算盘，负责记客栈的收入

张三不可能无时不刻地使用算盘
会有不使用算盘的时候（阻塞），比如
- 休息（sleep）
- 吃饭或上厕所（BIO）
- 等别的事情做完再继续（wait）。

李四（另一个线程）也要来借算盘（共享），负责记客栈的支出

张三和李四不能同时使用，因此需要轮流使用（分时系统）
由老王决定让谁使用算盘（CPU 调度，分配时间片）
当张三阻塞时，老王让李四使用算盘，反之亦然（线程上下文切换）

账本

张三和李四每次都先把运算结果记在脑子里（工作内存），再记到账本上（主内存）。
每次要看结果或者修改结果，就要用到账本。

并发问题：某天客栈现金 1000，收入 500，支出 200。

张三使用算盘
- 看到账本上的结果是 1000，用算盘算出新结果是 1500。
- 张三还没把新结果写到账本上，先跑去上厕所（BIO）。
老王看到张三去上厕所（线程阻塞），让李四使用算盘（线程上下文切换）
- 李四看到账本上的结果是 1000，用算盘算出新结果是 800。
- 把新结果 800 写到账本上。
张三上完厕所，老王让张三使用算盘，张三把刚才算的 1500 写到账本上。
账本上记录的今日结余为 1500，而实际本应是 1300。

1.2、Java 共享问题

1.2.1、问题

从 Java 的角度，体现共享的问题

两个线程对同一个静态变量进行写操作，一个做自增，一个做自减。
正常情况下，正确结果是 0。但实际运行结果是不确定的。
进行 10 次测试，结果有正、负、0 三种情况。

1.2.2、字节码

涉及 JVM 的字节码技术

字节码技术（一）、字节码技术（二）

注：所有变量的操作，都是在栈帧的操作数栈上进行的。

静态变量 i 的自增、自减操作，对应 4 行字节码

将静态变量 i 加载到操作数栈顶。
将常量池中的整数 1 加载到操作数栈顶。
操作数栈顶的两个数相加（相减）并出栈，将结果入栈

将结果赋值给静态变量 i

// i++对应字节码
getstatic i
iconst_1
iadd
putstatic i
// i-- 对应字节码
getstatic i
iconst_1
isub
putstatic i

1.2.3、主内存与工作内存

Java 内存模型（JMM）

主内存：所有变量都存储在主内存。
工作内存：每个线程有自己的工作内存，其中保存了该线程所用变量的主内存副本。
- 线程对变量的读写操作只在工作内存中进行，不能直接读写主内存中的数据。
- 线程之间也无法直接访问对方工作内存的变量，需要通过主内存来传递。

1.2.4、分析

如果字节码指令的执行具有原子性，则不会出错。

若 i++ 和 i-- 对应的 4 行字节码能作为一个整体执行，在执行的过程中不会发生交错。
即 i++ 的字节码都执行完，再执行 i-- 的字节码（反之亦然）

在多线程下，这些字节码指令不具有原子性。

类似 1.1 故事中的并发问题，字节码指令发生交错。

线程 t1 读取变量值（假设是 0，计算出结果 1），执行 putstatic （保存结果）之前发生线程上下文切换。
线程 t2 读取变量值（0），计算出结果（-1）并保存到主内存。
线程 t1 执行 putstatic 将结果（1）保存到主内存。
此时结果为 1，而实际应该是 0。

1.3、临界区 & 竞态条件（❗）

临界区：多线程下，对共享资源执行读写操作的代码块。

单线程读写不会出错。
多线程读不会出错。
多线程读写会发生指令交错。

发生竞态条件：多个线程执行临界区代码，由于代码的执行序列不同，无法预测结果。

避免发生竞态条件的 2 类解决方案

阻塞式：synchronized、Lock
非阻塞式：原子变量

2、synchronized（❗）

synchronized 也叫对象锁

互斥思想（悲观锁）

同一时刻最多只有一个线程能持有对象锁，此时其它线程若想获取同一个对象锁就会阻塞。
持有对象锁的线程，可以安全的执行临界区内的代码。
持有对象锁的线程也会发生线程上下文切换，只是即使发生了上下文切换，其它线程也无法拿到同一个对象的对象锁。

语法

对象：必须非 null

synchronized(对象) {
    // 临界区
}

方法

权限修饰符 synchronized [static] 返回值 方法名() {
    // 内部有临界区代码
}

2.1、synchronized 对象

2.1.1、解决共享问题

使用此方式解决 1.2.1 的共享问题。

声明一个 Object 类型的共享对象（不能为 null），用于线程获取对象锁。
进行 10 次测试，均为正确结果

2.1.2、理解

基于本文 1.1 的故事案例

为了避免并发问题，计算工作要在房间（对象）里完成

每次只能有一个人进房间（互斥），房间只有一把钥匙。
轮到张三（线程）使用算盘时（分配到时间片）
- 进入房间并且锁门拿走钥匙（持有对象锁）
- 在房间内算账（读写共享变量）

此时李四也要使用算盘，但是房间被锁住了，只能在外面等（阻塞）。

张三阻塞、或老王决定让李四使用（时间片用完）的时候，张三仍拿着钥匙，从房间里出来
轮到李四使用（线程上下文切换），但是钥匙还在张三那里，只能等张三算完账再进去。
张三继续使用（线程上下文切换），把账算完并记录在账本上（将结果写回主内存），

张三开锁从房间出来（释放锁）

张三叫了李四（唤醒阻塞线程），把钥匙给他，此时李四才可以进房间。
如果李四进去算账了，张三也只能等李四算完账写到账本后才能进去。

说明

如果张三出来的时候看到有 2 个人，那就看这两个人谁先抢到钥匙（竞争锁）
如果王五没有老实等待（没有加对象锁），在张三上厕所（阻塞）的时候翻窗进去算账，也会造成并发问题。

原理图

synchronized 对象锁保证临界区代码的原子性。
即临界区内的代码（字节码）不可分割，执行结果不会被线程上下文切换影响。

2.1.3、思考

思考以下几种情况

Q1：把 synchronized(obj) 放在 for 循环外面

使 for 循环具有原子性，线程执行完该循环，其它线程才有机会进入该循环。
相比把 synchornized(obj) 放在 for 里面，可以减少加锁和释放次数，降低资源浪费。

Q2：t1 加了 synchronized(obj)，但 t2 没有

t2 运行时不会尝试获取锁，而是直接执行。
即使 t1 持有对象锁，t2 照常执行，不会阻塞。

Q3：t1 加了 synchronized(obj1)，但 t2 加了 synchronized(obj2)

两个线程锁的是不同对象，持有的是两个不同的对象锁
类似 Q2，线程加锁不会阻塞另一个线程。

2.1.4、代码改进

在实际开发中，操作的共享变量往往属于某个具体的类。

封装本案例中的 count 变量和操作。

class Counter {
    private int count;
    public void increment() {
        synchronized (this) {
            count++;
        }
    }
    public void decrement() {
        synchronized (this) {
            count--;
        }
    }
	// getter
}

线程只需调用 Counter 类提供的方法。

2.2、synchronized 方法（❗）

在方法声明时使用 synchronized 关键字

非静态方法：相当于锁住当前对象（this）

静态方法：相当于锁住当前类对象（xxx.class）

权限修饰符 synchronized [static] 返回值 方法名() {
    // 内部有临界区代码
}

注
- 每个类实例独有一把对象锁，即类示例的对象锁有多把。
- 类对象（class）的锁唯一

示例

class MyCounter {
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }
    public synchronized static void decrement() {
        count--;
    } 
}
// 相当于
public void increment() {
    synchronized (this) {
        count++;
    }
}
public static void decrement() {
    synchronized (MyCounter.class) {
        count++;
    }
}

2.3、线程八锁（❗）

考察 synchronized 锁住的对象。

分析以下 8 道题的运行结果，需要分类讨论（哪个线程先执行）

2.3.1、非静态

同时开启 2 个线程，分别调用同一对象的 a() 和 b()

class Number {
    public synchronized void a() {
        LogUtils.debug("A");
    }
    public synchronized void b() {
        LogUtils.debug("B");
    }
}

public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    new Thread(() -> n1.a()).start();
    new Thread(() -> n1.b()).start();
}

a() 和 b() 都是 synchronized(this)

a() 先执行：AB
b() 先执行：BA

2.3.2、非静态+阻塞

同时开启 2 个线程，分别调用同一对象的 a() 和 b()

class Number {
    public synchronized void a() {
        SleepUtils.sleepSeconds(1);
        LogUtils.debug("A");
    }
    public synchronized void b() {
        LogUtils.debug("B");
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    new Thread(() -> n1.a()).start();
    new Thread(() -> n1.b()).start();
}

a() 和 b() 都是 synchronized(this)

a() 先执行：1秒 → AB
b() 先执行：B → 1秒 → A

2.3.3、非静态+不同步

同时开启 3 个线程，分别调用同一对象的 a() 和 b() 和 c()

class Number {
    public synchronized void a() {
        SleepUtils.sleepSeconds(1);
        LogUtils.debug("A");
    }
    public synchronized void b() {
        LogUtils.debug("B");
    }
    public void c() {
        LogUtils.debug("C");
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    new Thread(()-> n1.a()).start();
    new Thread(()-> n1.b()).start();
    new Thread(()-> n1.c()).start();
}

a() 和 b() 是 synchronized(this)，c 不同步、不会阻塞

a() 先执行：C → 1秒 → AB
b() 先执行：BC（CB）→ 1秒 → A

2.3.4、非静态+不同对象

同时开启 2 个线程，分别调用不同对象的 a() 和 b()

class Number {
    public synchronized void a() {
        SleepUtils.sleepSeconds(1);
        LogUtils.debug("A");
    }
    public synchronized void b() {
        LogUtils.debug("B");
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    Number n2 = new Number();
    new Thread(()-> n1.a()).start();
    new Thread(()-> n2.b()).start();
}

a() 和 b() 持有不同的对象锁，不发生阻塞：B → 1秒 → A

2.3.5、非静态+静态

同时开启 2 个线程，分别调用同一对象的静态 a() 和 b()

class Number{
    public static synchronized void a() {
        SleepUtils.sleepSeconds(1);
        LogUtils.debug("A");
    }
    public synchronized void b() {
        LogUtils.debug("B");
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    // n1.a() 实际上是 Number.a()
    new Thread(() -> n1.a()).start();
    new Thread(() -> n1.b()).start();
}

a() 是 synchronized(Number.class)，b() 是 synchronized(this)

属于不同的对象锁，不会阻塞：B → 1秒 → A

2.3.6、静态

同时开启 2 个线程，分别调用同一对象的 a() 和 b()

class Number{
    public static synchronized void a() {
        SleepUtils.sleepSeconds(1);
        LogUtils.debug("A");
    }
    public static synchronized void b() {
        LogUtils.debug("B");
    }
}
@Test
public void test(){
    Number n1 = new Number();
    // 相当于Number.a()和Number.b()
    new Thread(() -> n1.a()).start();
    new Thread(() -> n1.b()).start();
}

a() 和 b() 都是 synchronized(Number.class)

a() 先执行：1秒 → AB
b() 先执行：B → 1秒 → A

2.3.7、非静态+静态+不同对象

同时开启 2 个线程，分别调用不同对象的 a() 和 b()

class Number{
    public static synchronized void a() {
        SleepUtils.sleepSeconds(1);
        LogUtils.debug("A");
    }
    public synchronized void b() {
        LogUtils.debug("B");
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    Number n2 = new Number();
    new Thread(() -> n1.a()).start();
    new Thread(() -> n1.b()).start();
}

a() 和 b() 持有不同的对象锁，不发生阻塞：B → 1秒 → A

2.3.8、静态+不同对象（❗）

同时开启 2 个线程，分别调用不同对象的 a() 和 b()

class Number{
    public static synchronized void a() {
        SleepUtils.sleepSeconds(1);
        LogUtils.debug("A");
    }
    public static synchronized void b() {
        LogUtils.debug("B");
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    Number n2 = new Number();
    new Thread(() -> n1.a()).start();
    new Thread(() -> n1.b()).start();
}

a() 和 b() 都是 synchronized(Number.class)，class 对象锁是唯一的

a() 先执行：1秒 → AB
b() 先执行：B → 1秒 → A

posted @ 2022-04-01 18:03 Jaywee 阅读(54) 评论(2) 编辑收藏举报

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Jaywee

并发4️⃣管程①问题引入、synchronized

1、共享的问题

1.1、故事引入

1.2、Java 共享问题

1.2.1、问题

1.2.2、字节码

1.2.3、主内存与工作内存

1.2.4、分析

1.3、临界区 & 竞态条件（❗）

2、synchronized（❗）

2.1、synchronized 对象

2.1.1、解决共享问题

2.1.2、理解

2.1.3、思考

2.1.4、代码改进

2.2、synchronized 方法（❗）

2.3、线程八锁（❗）

2.3.1、非静态

2.3.2、非静态+阻塞

2.3.3、非静态+不同步

2.3.4、非静态+不同对象

2.3.5、非静态+静态

2.3.6、静态

2.3.7、非静态+静态+不同对象

2.3.8、静态+不同对象（❗）

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