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在 Java并發(fā)之內(nèi)存模型了解到多進(jìn)程（線程）讀取共享資源的時(shí)候存在競爭條件。
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計(jì)算機(jī)中通過設(shè)計(jì)同步器來協(xié)調(diào)進(jìn)程(線程)之間執(zhí)行順序。同步器作用就像登機(jī)安檢人員一樣可以協(xié)調(diào)旅客按順序通過。
在Java中，同步器可以理解為一個(gè)對象，它根據(jù)自身狀態(tài)協(xié)調(diào)線程的執(zhí)行順序。比如鎖（Lock），信號量（Semaphore），屏障（CyclicBarrier），阻塞隊(duì)列（Blocking Queue）。
這些同步器在功能設(shè)計(jì)上有所不同，但是內(nèi)部實(shí)現(xiàn)上有共通的地方。
同步器
同步器的設(shè)計(jì)一般包含幾個(gè)方面：狀態(tài)變量設(shè)計(jì)（同步器內(nèi)部狀態(tài)），訪問條件設(shè)定，狀態(tài)更新，等待方式，通知策略。
訪問條件是控制線程是否能執(zhí)行（訪問共享對象）的條件，它往往與狀態(tài)變量緊密相關(guān)。而通知策略是線程釋放鎖定狀態(tài)后通知其它等待線程的方式，一般有以下幾種情況
- 通知所有等待的線程。
- 通知1個(gè)隨機(jī)的N個(gè)等待線程。
- 通知1個(gè)特定的N個(gè)等待線程
看下面例子，通過鎖方式的同步器
- public class Lock{
- // 狀態(tài)變量 isLocked
- private boolean isLocked = false;
- public synchronized void lock() throws InterruptedException{
- // 訪問條件 當(dāng)isLocked=false 時(shí)獲得訪問權(quán)限否則等待
- while(isLocked){
- // 阻塞等待
- wait();
- }
- //狀態(tài)更新 線程獲得訪問權(quán)限
- isLocked = true;
- }
- public synchronized void unlock(){
- //狀態(tài)更新 線程釋放訪問權(quán)限
- isLocked = false;
- // 通知策略 object.notify | object.notifyAll
- notify();
- }
- }
我們用計(jì)數(shù)信號量控制同時(shí)執(zhí)行操作活動數(shù)。這里模擬一個(gè)連接池。
- public class PoolSemaphore {
- // 狀態(tài)變量 actives 計(jì)數(shù)器
- private int actives = 0;
- private int max;
- public PoolSemaphore(int max) {
- this.max = max;
- }
- public synchronized void acquire() throws InterruptedException {
- //訪問條件 激活數(shù)小于最大限制時(shí)，獲得訪問權(quán)限否則等待
- while (this.actives == max) wait();
- //狀態(tài)更新 線程獲得訪問權(quán)限
- this.actives++;
- // 通知策略 object.notify | object.notifyAll
- this.notify();
- }
- public synchronized void release() throws InterruptedException {
- //訪問條件 激活數(shù)不為0時(shí)，獲得訪問權(quán)限否則等待
- while (this.actives == 0) wait();
- //狀態(tài)更新 線程獲得訪問權(quán)限
- this.actives--;
- // 通知策略 object.notify | object.notifyAll
- this.notify();
- }
- }
原子指令
同步器設(shè)計(jì)里面，最重要的操作邏輯是“如果滿足條件，以更新狀態(tài)變量來標(biāo)志線程獲得或釋放訪問權(quán)限”，該操作應(yīng)具備原子性。
比如test-and-set 計(jì)算機(jī)原子指令，意思是進(jìn)行條件判斷滿足則設(shè)置新值。
- function Lock(boolean *lock) {
- while (test_and_set(lock) == 1);
- }
另外還有很多原子指令 fetch-and-add compare-and-swap，注意這些指令需硬件支持才有效。
同步操作中，利用計(jì)算機(jī)原子指令，可以避開鎖，提升效率。java中沒有 test-and-set 的支持，不過 java.util.concurrent.atomic 給我們提供了很多原子類API，里面支持了 getAndSet 和compareAndSet 操作。
看下面例子，主要在區(qū)別是等待方式不一樣，上面是通過wait()阻塞等待，下面是無阻塞循環(huán)。
- public class Lock{
- // 狀態(tài)變量 isLocked
- private AtomicBoolean isLocked = new AtomicBoolean(false);
- public void lock() throws InterruptedException{
- // 等待方式 變?yōu)樽孕却?nbsp;
- while(!isLocked.compareAndSet(false, true));
- //狀態(tài)更新 線程獲得訪問權(quán)限
- isLocked.set(true);
- }
- public synchronized void unlock(){
- //狀態(tài)更新 線程釋放訪問權(quán)限
- isLocked.set(false);
- }
- }
關(guān)于阻塞擴(kuò)展說明
阻塞意味著需要將進(jìn)程或線程狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)存，以便還原后恢復(fù)執(zhí)行。這種操作是昂貴繁重，而線程基于進(jìn)程之上相對比較輕量。線程的阻塞在不同編程平臺實(shí)現(xiàn)方式也有所不同，像Java是基于JVM運(yùn)行，所以它由JVM完成實(shí)現(xiàn)。
在《Java Concurrency in Practice》中，作者提到
競爭性同步可能需要OS活動，這增加了成本。當(dāng)爭用鎖時(shí)，未獲取鎖的線程必須阻塞。 JVM可以通過旋轉(zhuǎn)等待（反復(fù)嘗試獲取鎖直到成功）來實(shí)現(xiàn)阻塞，也可以通過操作系統(tǒng)掛起阻塞的線程來實(shí)現(xiàn)阻塞。哪種效率更高取決于上下文切換開銷與鎖定可用之前的時(shí)間之間的關(guān)系。對于短暫的等待，最好使用自旋等待；對于長時(shí)間的等待，最好使用暫停。一些JVM基于對過去等待時(shí)間的分析數(shù)據(jù)來自適應(yīng)地在這兩者之間進(jìn)行選擇，但是大多數(shù)JVM只是掛起線程等待鎖定。
從上面可以看出JVM實(shí)現(xiàn)阻塞兩種方式
- 旋轉(zhuǎn)等待（spin-waiting），簡單理解是不暫停執(zhí)行，以循環(huán)的方式等待，適合短時(shí)間場景。
- 通過操作系統(tǒng)掛起線程。
JVM中通過 -XX: +UseSpinning 開啟旋轉(zhuǎn)等待， -XX: PreBlockSpi =10指定最大旋轉(zhuǎn)次數(shù)。
AQS
AQS是AbstractQueuedSynchronizer簡稱。本節(jié)對AQS只做簡單闡述，并不全面。
java.util.concurrent包中的 ReentrantLock，CountDownLatch，Semaphore，CyclicBarrier等都是基于是AQS同步器實(shí)現(xiàn)。
狀態(tài)變量是用 int state 來表示，狀態(tài)的獲取與更新通過以下API操作。
- int getState()
- void setState(int newState)
- boolean compareAndSetState(int expect, int update)
該狀態(tài)值在不同API中有不同表示意義。比如ReentrantLock中表示持有鎖的線程獲取鎖的次數(shù)，Semaphore表示剩余許可數(shù)。
關(guān)于等待方式和通知策略的設(shè)計(jì)
AQS通過維護(hù)一個(gè)FIFO同步隊(duì)列（Sync queue）來進(jìn)行同步管理。當(dāng)多線程爭用共享資源時(shí)被阻塞入隊(duì)。而線程阻塞與喚醒是通過 LockSupport.park/unpark API實(shí)現(xiàn)。
它定義了兩種資源共享方式。
- Exclusive（獨(dú)占，只有一個(gè)線程能執(zhí)行，如ReentrantLock）
- Share（共享，多個(gè)線程可同時(shí)執(zhí)行，如Semaphore/CountDownLatch）
每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含waitStatus（節(jié)點(diǎn)狀態(tài)），prev（前繼），next（后繼），thread（入隊(duì)時(shí)線程），nextWaiter（condition隊(duì)列的后繼節(jié)點(diǎn)）
waitStatus 有以下取值。
- CANCELLED(1) 表示線程已取消。當(dāng)發(fā)生超時(shí)或中斷，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變?yōu)槿∠?，之后狀態(tài)不再改變。
- SIGNAL(-1) 表示后繼節(jié)點(diǎn)等待前繼的喚醒。后繼節(jié)點(diǎn)入隊(duì)時(shí)，會將前繼狀態(tài)更新為SIGNAL。
- CONDITION(-2) 表示線程在Condition queue 里面等待。當(dāng)其他線程調(diào)用了Condition.signal()方法后，CONDITION狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)將從 Condition queue 轉(zhuǎn)移到 Sync queue，等待獲取鎖。
- PROPAGATE(-3) 在共享模式下，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)釋放后，確保有效通知后繼節(jié)點(diǎn)。
- (0) 節(jié)點(diǎn)加入隊(duì)列時(shí)的默認(rèn)狀態(tài)。
AQS 幾個(gè)關(guān)鍵 API
- tryAcquire(int) 獨(dú)占方式下，嘗試去獲取資源。成功返回true，否則false。
- tryRelease(int) 獨(dú)占方式下，嘗試釋放資源，成功返回true，否則false。
- tryAcquireShared(int) 共享方式下，嘗試獲取資源。返回負(fù)數(shù)為失敗，零和正數(shù)為成功并表示剩余資源。
- tryReleaseShared(int) 共享方式下，嘗試釋放資源，如果釋放后允許喚醒后續(xù)等待節(jié)點(diǎn)返回true，否則false。
- isHeldExclusively() 判斷線程是否正在獨(dú)占資源。
acquire(int arg)
- public final void acquire(int arg) {
- if (
- // 嘗試直接去獲取資源，如果成功則直接返回
- !tryAcquire(arg)
- &&
- //線程阻塞在同步隊(duì)列等待獲取資源。等待過程中被中斷，則返回true，否則false
- acquireQueued(
- // 標(biāo)記該線程為獨(dú)占方式，并加入同步隊(duì)列尾部。
- addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)
- )
- selfInterrupt();
- }
release(int arg)
- public final boolean release(int arg) {
- // 嘗試釋放資源
- if (tryRelease(arg)) {
- Node h = head;
- if (h != null && h.waitStatus != 0)
- // 喚醒下一個(gè)線程（后繼節(jié)點(diǎn)）
- unparkSuccessor(h);
- return true;
- }
- return false;
- }
- private void unparkSuccessor(Node node) {
- ....
- Node s = node.next; // 找到后繼節(jié)點(diǎn)
- if (s == null || s.waitStatus > 0) {//無后繼或節(jié)點(diǎn)已取消
- s = null;
- // 找到有效的等待節(jié)點(diǎn)
- for (Node t = tail; t != null && t != node; tt = t.prev)
- if (t.waitStatus <= 0)
- s = t;
- }
- if (s != null)
- LockSupport.unpark(s.thread); // 喚醒
- }
總結(jié)
本文記錄并發(fā)編程中同步器設(shè)計(jì)的一些共性特征。并簡單介紹了Java中的AQS。
本文題目：Java并發(fā)之同步器設(shè)計(jì)
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