欢迎阅读我的 Java 并发教程系列的第五部分。在之前的教程中,我们学习了如何用 Java 编写并发代码。在这篇博文中,我们将研究一些与并发/多线程程序相关的常见问题,并了解如何避免它们。
###并发问题
多线程是一个非常强大的工具,它可以让我们更好地利用系统资源,但是我们在读写多线程共享的数据时需要特别小心。
当多个线程尝试同时读写共享数据时,会出现两种类型的问题——
1.线程干扰错误
1.内存一致性错误
让我们一一了解这些问题。
考虑下面的 Counter
类,它包含一个 increment()
方法,每次调用它时都会将计数加一 -
class Counter {
int count = 0;
public void increment() {
count = count + 1;
}
public int getCount() {
return count;
}
}
现在,让我们假设多个线程尝试通过同时调用 increment()
方法来增加计数 -
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class RaceConditionExample {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
Counter counter = new Counter();
for(int i = 0; i < 1000; i++) {
executorService.submit(() -> counter.increment());
}
executorService.shutdown();
executorService.awaitTermination(60, TimeUnit.SECONDS);
System.out.println("Final count is : " + counter.getCount());
}
}
你认为上述程序的结果会是什么?因为我们调用了 increment 1000 次,所以最终计数是 1000 吗?
答案是否定的!只需运行上面的程序并亲自查看输出。它不是产生 1000 的最终计数,而是在每次运行时给出不一致的结果。我在电脑上运行了3次上述程序,输出分别是992、996和993。
让我们深入挖掘程序,了解程序输出不一致的原因-
当一个线程执行 increment() 方法时,会执行以下三个步骤:
1.检索count的当前值
现在让我们假设两个线程 - ThreadA 和 ThreadB,按以下顺序执行这些操作 -
两个线程都尝试将计数加 1,但最终结果是 1 而不是 2,因为线程执行的操作相互交错。在上述情况下,ThreadA 所做的更新丢失了。
上述执行顺序只是一种可能性。可能有许多这样的命令可以执行这些操作,从而使程序的输出不一致。
当多个线程尝试并发读写一个共享变量,并且这些读写操作在执行中重叠时,那么最终的结果取决于读写发生的顺序,这是不可预测的。这种现象称为Race condition。
访问共享变量的代码部分称为 Critical Section。
通过同步访问共享变量可以避免线程干扰错误。我们将在下一节中了解同步。
我们先来看看多线程程序中出现的第二种错误——内存一致性错误。
当不同线程对相同数据的视图不一致时,就会发生内存不一致错误。当一个线程更新一些共享数据时会发生这种情况,但此更新不会传播到其他线程,并且它们最终使用旧数据。
为什么会这样? 嗯,这可能有很多原因。编译器对您的程序进行多项优化以提高性能。它还可能重新排序指令以优化性能。处理器也尝试优化事物,例如,处理器可能从临时寄存器(其中包含变量的最后读取值)而不是主存储器(具有变量的最新值)读取变量的当前值.
考虑以下示例,该示例演示了内存一致性错误的实际操作 -
public class MemoryConsistencyErrorExample {
private static boolean sayHello = false;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread = new Thread(() -> {
while(!sayHello) {
}
System.out.println("Hello World!");
while(sayHello) {
}
System.out.println("Good Bye!");
});
thread.start();
Thread.sleep(1000);
System.out.println("Say Hello..");
sayHello = true;
Thread.sleep(1000);
System.out.println("Say Bye..");
sayHello = false;
}
}
在理想情况下,上述程序应该 -
1.等待一秒,然后在sayHello
变为真后打印Hello World!
。
sayHello
变为false后打印Good Bye!
。# Ideal Output
Say Hello..
Hello World!
Say Bye..
Good Bye!
但是运行上面的程序后我们得到了想要的输出吗?好吧,如果您运行该程序,您将看到以下输出 -
# Actual Output
Say Hello..
Say Bye..
此外,该程序甚至不会终止。
等待。什么?这怎么可能?
是的!这就是内存一致性错误。第一个线程不知道主线程对 sayHello
变量所做的更改。
您可以使用 volatile
关键字来避免内存一致性错误。我们将很快了解有关 volatile 关键字的更多信息。
通过确保以下两点,可以避免线程干扰和内存一致性错误——
1.一次只有一个线程可以读写共享变量。当一个线程访问共享变量时,其他线程应该等到第一个线程完成。这保证了对共享变量的访问是Atomic,并且多个线程不会干扰。
2.每当任何线程修改共享变量时,它都会自动与其他线程对该共享变量的后续读取和写入建立 happens-before 关系。这保证了一个线程所做的更改对其他人可见。
幸运的是,Java 有一个 synchronized
关键字,您可以使用它来同步对任何共享资源的访问,从而避免这两种错误。
以下是 Counter 类的 Synchronized 版本。我们在 increment()
方法上使用 Java 的 synchronized
关键字来防止多个线程同时访问它——
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
class SynchronizedCounter {
private int count = 0;
// Synchronized Method
public synchronized void increment() {
count = count + 1;
}
public int getCount() {
return count;
}
}
public class SynchronizedMethodExample {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
SynchronizedCounter synchronizedCounter = new SynchronizedCounter();
for(int i = 0; i < 1000; i++) {
executorService.submit(() -> synchronizedCounter.increment());
}
executorService.shutdown();
executorService.awaitTermination(60, TimeUnit.SECONDS);
System.out.println("Final count is : " + synchronizedCounter.getCount());
}
}
如果运行上面的程序,它将产生所需的输出 1000。不会发生竞争条件,并且最终输出始终一致。 synchronized
关键字确保一次只有一个线程可以进入 increment()
方法。
请注意,同步的概念始终绑定到一个对象。在上述情况下,在 SynchonizedCounter
的同一实例上多次调用 increment()
方法会导致竞争条件。我们正在防止使用 synchronized
关键字。但是线程可以安全地同时在 SynchronizedCounter
的不同实例上调用 increment()
方法,并且不会导致竞争条件。
在静态方法的情况下,同步与 Class 对象相关联。
Java 在内部使用所谓的内在锁或监视器锁 来管理线程同步。每个对象都有一个与之关联的内在锁。
当线程调用对象上的同步方法时,它会自动获取该对象的内在锁,并在该方法退出时释放它。即使该方法引发异常,也会发生锁定释放。
在静态方法的情况下,线程获取与类关联的 Class
对象的内在锁,这与类的任何实例的内在锁不同。
synchronized
关键字也可以用作块语句,但与 synchronized
方法不同,synchronized
语句必须指定提供内在锁的对象 -
public void increment() {
// Synchronized Block -
// Acquire Lock
synchronized (this) {
count = count + 1;
}
// Release Lock
}
当一个线程获得一个对象的内在锁时,其他线程必须等到锁被释放。但是,当前拥有锁的线程可以多次获取它,没有任何问题。
允许一个线程多次获取同一个锁的想法称为重入同步。
Volatile 关键字用于避免多线程程序中的内存一致性错误。它告诉编译器避免对变量进行任何优化。如果将变量标记为 volatile
,编译器将不会围绕该变量优化或重新排序指令。
此外,变量的值将始终从主内存而不是临时寄存器中读取。
以下是我们在上一节中看到的相同 MemoryConsistencyError 示例,不同之处在于,这次我们用 volatile
关键字标记了 sayHello
变量。
public class VolatileKeywordExample {
private static volatile boolean sayHello = false;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread = new Thread(() -> {
while(!sayHello) {
}
System.out.println("Hello World!");
while(sayHello) {
}
System.out.println("Good Bye!");
});
thread.start();
Thread.sleep(1000);
System.out.println("Say Hello..");
sayHello = true;
Thread.sleep(1000);
System.out.println("Say Bye..");
sayHello = false;
}
}
运行上述程序会产生所需的输出 -
# Output
Say Hello..
Hello World!
Say Bye..
Good Bye!
在本教程中,我们了解了多线程程序中可能出现的不同并发问题,以及如何使用 synchronized
方法和块来避免这些问题。同步是一个强大的工具,但请注意,不必要的同步会导致其他问题,例如 deadlock 和 starvation。
版权说明 : 本文为转载文章, 版权归原作者所有 版权申明
原文链接 : https://www.callicoder.com/java-concurrency-issues-and-thread-synchronization/
内容来源于网络,如有侵权,请联系作者删除!