并发:线程与锁

线程与锁

哲学家问题

问题描述:五位哲学家围绕一个圆桌就做,桌上在每两位哲学家之间摆着一支筷子。哲学家的状态可能是“思考”或者“饥饿”。如果饥饿,哲学家将拿起他两边的筷子就餐一段时间。进餐结束后,哲学家就会放回筷子。

代码实现:

public class Philosopher extends Thread {
    private Chopstick left;
    private Chopstick right;
    private Random random;
    
    public Philosopher(Chopstick left, Chopstick right) {
        this.left = left;
        this.right = right;
        random = new Random();
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                Thread.sleep(random.nextInt(1000));  // 思考一会儿
                synchronized (left) {                       // 拿起左手的筷子
                    synchronized (right) {                  // 拿起右手的筷子
                        Thread.sleep(random.nextInt(1000)); // 进餐
                    }
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            // handle exception
        }
    }
}

规避方法:
一个线程使用多把锁时,就需要考虑死锁的可能。幸运的是,如果总是按照一个全局的固定的顺序获得多把锁,就可以避开死锁。

public class Philosopher2 extends Thread {
    private Chopstick first;
    private Chopstick second;
    private Random random;

    public Philosopher2(Chopstick left, Chopstick right) {
        if (left.getId() < right.getId()) {
            first = left;
            second = right;
        } else {
            first = right;
            second = left;
        }
        random = new Random();
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                Thread.sleep(random.nextInt(1000));  // 思考一会儿
                synchronized (first) {                       // 拿起左手的筷子
                    synchronized (second) {                  // 拿起右手的筷子
                        Thread.sleep(random.nextInt(1000)); // 进餐
                    }
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            // handle exception
        }
    }
}

外星方法

定义:调用这类方法时,调用者对方法的实现细节并不了解。

public class Downloader extends Thread {
    private InputStream in;
    private OutputStream out;
    private ArrayList<ProgressListener> listeners;

    public Downloader(URL url, String outputFilename) throws IOException {
        in = url.openConnection().getInputStream();
        out = new FileOutputStream(outputFilename);
        listeners = new ArrayList<>();
    }

    public synchronized void addListener(ProgressListener listener) {
        listeners.add(listener);
    }

    public synchronized void removeListener(ProgressListener listener) {
        listeners.remove(listener);
    }

    private synchronized void updateProgress(int n) {
        for (ProgressListener listener : listeners) {
            listener.onProgress(n);
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        // ...
    }
}

这里 updateProgress(n) 方法调用了一个外星方法,这个外星方法可能做任何事,比如持有另外一把锁。

可以这样来修改:

private  void updateProgress(int n) {
ArrayList<ProgressListener> listenersCopy;
    synchronized (this) {
        listenersCopy = (ArrayList<ProgressListener>) listeners.clone();
    }
        
    for (ProgressListener listener : listenersCopy) {
        listener.onProgress(n);
    }
}

线程与锁模型带来的三个主要危害:

  1. 竞态条件
  2. 死锁
  3. 内存可见性

规避原则:

  • 对共享变量的所有访问都需要同步化
  • 读线程和写线程都需要同步化
  • 按照约定的全局顺序来获取多把锁
  • 当持有锁时避免调用外星方法
  • 持有锁的时间应尽可能短

内置锁

内置锁限制:

  • 无法中断 一个线程因为等待内置锁而进入阻塞之后,就无法中断该线程了;
  • 无法超时 尝试获取内置锁时,无法设置超时;
  • 不灵活 获得内置锁,必须使用 synchronized 块。
synchronized( object ) {
    <<使用共享资源>>
}

ReentrantLock

其提供了显式的lockunlock, 可以突破以上内置锁的几个限制。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
    <<使用共享资源>>
} finally {
    lock.unlock()
}

可中断

使用内置锁时,由于阻塞的线程无法被中断,程序不可能从死锁中恢复。

内置锁:制造一个死锁:

public class Uninterruptible {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final Object o1 = new Object();
        final Object o2 = new Object();

        Thread t1 = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                try {
                    synchronized (o1) {
                        Thread.sleep(1000);
                        synchronized (o2) {}
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println("Thread-1 interrupted");
                }
            }
        };

        Thread t2 = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                try {
                    synchronized (o2) {
                        Thread.sleep(1000);
                        synchronized (o1) {}
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println("Thread-2 interrupted");
                }
            }
        };

        t1.start();
        t2.start();
        Thread.sleep(2000);
        t1.interrupt();
        t2.interrupt();
        t1.join();
        t2.join();
    }

}

ReentrantLock 替代内置锁:

public class Interruptible {
    
    public static void main(String[] args) {
        final ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();
        final ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock();
        
        Thread t1 = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                try {
                    lock1.lockInterruptibly();
                    Thread.sleep(1000);
                    lock2.lockInterruptibly();
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println("Thread-1 interrupted");
                }
            }
        };
        
        // ...
    }
}

可超时

利用 ReentrantLock 超时设置解决哲学家问题:

public class Philosopher3 extends Thread {
    private ReentrantLock leftChopstick;
    private ReentrantLock rightChopstick;
    private Random random;
    
    public Philosopher3(ReentrantLock leftChopstick, ReentrantLock rightChopstick) {
        this.leftChopstick = leftChopstick;
        this.rightChopstick = rightChopstick;
        random = new Random();
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                Thread.sleep(random.nextInt(1000));  // 思考一会儿
                leftChopstick.lock();
                try {
                    // 获取右手边的筷子
                    if (rightChopstick.tryLock(1000, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
                        try {
                            Thread.sleep(random.nextInt(1000));
                        } finally {
                            rightChopstick.unlock();
                        }
                    } else {
                        // 没有获取到右手边的筷子,放弃并继续思考
                    }
                } finally {
                    leftChopstick.unlock();
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            // ...
        }
    }
}

交替锁

场景:在链表中插入一个节点时,使用交替锁只锁住链表的一部分,而不是用锁保护整个链表。

线程安全链表:

public class ConcurrentSortedList {  // 降序有序链表
    
    private class Node {
        int value;
        Node pre;
        Node next;
        
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        
        Node() {}
        
        Node(int value, Node pre, Node next) {
            this.value = value;
            this.pre = pre;
            this.next = next;
        }
    }
    
    private final Node head;
    private final Node tail;
    
    public ConcurrentSortedList() {
        this.head = new Node();
        this.tail = new Node();
        this.head.next = tail;
        this.tail.pre = head;
    }
    
    public void insert(int value) {
        Node current = this.head;
        current.lock.lock();
        Node next = current.next;
        try {
            while (true) {
                next.lock.lock();
                try {
                    if (next == tail || next.value < value) {
                        Node newNode = new Node(value, current, next);
                        next.pre = newNode;
                        current.next = newNode;
                        return;
                    }
                } finally {
                    current.lock.unlock();
                }
                current = next;
                next = current.next;
                
            }
        } finally {
            next.lock.unlock();
        }
    }
    
    public int size() { 
        Node current = tail; // 这里为什么要是从尾部开始遍历呢? 因为插入是从头部开始遍历的
        int count = 0;
        while (current != head) {
            ReentrantLock lock = current.lock;
            lock.lock();
            try {
                ++count;
                current = current.pre;
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
        return count;
    }
}

条件变量

并发编程经常要等待某个条件满足。比如从队列删除元素必须等待队列不为空、向缓存添加数据前需要等待缓存有足够的空间。

条件变量模式:

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newConditiion();

lock.lock();
try {
    while(!<<条件为真>>) {  // 条件不为真时
        condition.await();
    }
    <<使用共享资源>>
} finnally {
    lock.unlock();
}

一个条件变量需要与一把锁关联,线程在开始等待条件之前必须获得锁。获取锁后,线程检查等待的条件是否为真。

  • 如果为真,线程将继续执行并解锁;
  • 如果不为真,线程会调用 await(),它将原子的解锁并阻塞等待条件。

当另一个线程调用 signal()signalAll(),意味着对应的条件可能变为真, await() 将原子的恢复运行并重新加锁。

条件变量解决哲学家就餐问题:

public class Philosopher4 extends Thread {

    private boolean eating;
    private Philosopher4 left;
    private Philosopher4 right;
    private ReentrantLock table;
    private Condition condition;
    private Random random;

    public Philosopher4(ReentrantLock table) {
        this.eating = false;
        this.table = table;
        this.condition = table.newCondition();
        this.random = new Random();
    }

    public void setLeft(Philosopher4 left) {
        this.left = left;
    }

    public void setRight(Philosopher4 right) {
        this.right = right;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                think();
                eat();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            // ...
        }
    }

    private void think() throws InterruptedException {
        this.table.lock();
        try {
            this.eating = false;
            this.left.condition.signal();
            this.right.condition.signal();
        } finally {
            table.unlock();
        }
        Thread.sleep(1000);
    }

    private void eat() throws InterruptedException {
        this.table.lock();
        try {
            while (left.eating || right.eating) {
                this.condition.await();
            }
            this.eating = true;
        } finally {
            this.table.unlock();
        }
        Thread.sleep(1000);
    }
}

原子变量

原子变量是无锁(lock-free) 非阻塞(non-blocking)算法的基础,这种算法可以不用锁和阻塞来达到同步的目的。

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