一、基本同步原理
1.1 同步機(jī)制(synchronize mechanism)
1.1.1 同步
多線程開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們經(jīng)常會(huì)提到同步這個(gè)詞，那么什么是同步呢？為什么會(huì)存在同步問(wèn)題呢？我們知道一個(gè)多線程應(yīng)用系統(tǒng)在操作系統(tǒng)的進(jìn)程（線程）機(jī)制下可以同時(shí)有多個(gè)進(jìn)程（線程）并發(fā)運(yùn)行，這此進(jìn)程（線程）要完成的任務(wù)可能是互不相關(guān)的，但也可能是有聯(lián)系的。那么當(dāng)一個(gè)進(jìn)程（線程）要和另一個(gè)進(jìn)程（線程）交流信息時(shí)同步就有可能發(fā)生了。為什么呢？如果您不清，看了下面這個(gè)例子也許就會(huì)明白了。
同步示例: 進(jìn)程同步://
http://www.csdn.net/blog/Iangao 在日常生活中我們經(jīng)常會(huì)遇到定蛋糕的事，過(guò)程是什么樣的呢？讓我們一起來(lái)回顧一下。
首先是我們做我們的事，蛋糕師傅也做道自已的事，當(dāng)我們想要買蛋糕時(shí)，我們就要和蛋糕師打交道了。
我們選好蛋糕樣式，交款完款，把定單交給蛋糕師后由于時(shí)間制作時(shí)間很長(zhǎng),所以出去逛20分鐘的街,然后回來(lái)拿著小票等待蛋糕被做好了。
蛋糕師則是一上班就在等待定單，當(dāng)他拿到定單后，開(kāi)始按照要求進(jìn)行制作，做好后把這蛋糕放到貨架上，然后根據(jù)定單上的連系方式通知我們來(lái)取貨。
接到通知單后，我們便可以拿著蛋糕回家了。而蛋糕師還將繼續(xù)做著他自已的事情。 貨架，定單，取貨通知單
顧客進(jìn)程 師傅進(jìn)程
顧客(){
選擇蛋糕() // 1.(并行)
制作(30分鐘) // 4.(并行)
放入蛋糕(貨架) // 5.
通知(取貨) // 6. (同步2)
... // 7. (并行)
}
}
我們分析一下上面的例子，在例子中，我們可以看出由于沒(méi)有定單，師傅進(jìn)程在“同步1”處不得不停下來(lái)等待一個(gè)定單，直到有定單時(shí)它才可以制作蛋糕。同樣的，由于蛋糕尚未做好，因此顧客線程也在“同步2”處停下來(lái)等待，直到接到取貨通知單后才取蛋糕回家。現(xiàn)在我們可以總結(jié)一下：同步(synchronize)實(shí)際上就是讓一個(gè)線程停下腳步處于等待狀態(tài)直到另一個(gè)線程向它發(fā)出繼續(xù)執(zhí)行的信號(hào)后，兩個(gè)線程再繼續(xù)并發(fā)執(zhí)行的一種線程間的通信機(jī)制。而通過(guò)上面的例子我們可以總結(jié)出“要想實(shí)現(xiàn)這種機(jī)制起碼應(yīng)該具備如下三個(gè)基本要素”：
一個(gè)用于通信的信號(hào)(signal)
一個(gè)用于等待信號(hào)的操作(wait)
一個(gè)用于發(fā)送信號(hào)的操作(notify)
這種機(jī)制在Solaris或POSIX線程中，它們通常被看做是條件變量(condition variable), 而在Windows系統(tǒng)中它們往往被看成是事件變量(event variable),不過(guò)兩者還是有一些區(qū)別的，我們將在后面的章節(jié)中繼續(xù)深入討論。
1.1.2 臨界區(qū)、鎖
在同步問(wèn)題中，有一類是由于對(duì)共享資源并發(fā)使用而引起的。眾所周知一組資源(數(shù)據(jù))被多個(gè)進(jìn)程(線程)同時(shí)使用，往往會(huì)造成邏輯紊亂(有的在讀，有的在改），為了避免這一情況，就要求對(duì)資源的使用加以控制，使得進(jìn)程(線程)在訪問(wèn)資源期間，不允許被其他進(jìn)程(線程）干擾。有干擾的線程必須處于等待狀態(tài)中。通常我們把這段不受干擾的使用某一特定資源的段碼段稱為該資源的臨界區(qū)(critical section)。而臨界區(qū)就象對(duì)資源加了一把鎖（Lock)，進(jìn)的時(shí)候加鎖(lock)，出的時(shí)解鎖(unlock)，這就可以把所有有干擾的進(jìn)程（線程）鎖都到臨界區(qū)之外。下面我們分析一下用于定義臨界區(qū)的鎖操作都完成了什么功能，請(qǐng)看下面的一個(gè)最簡(jiǎn)單的功能性說(shuō)明代碼清單(下圖參考自《操作系統(tǒng)》一書):
shared double balance, account; //共享變量
shared int lock=FALSE; //同步變量(Mutex): 用于實(shí)現(xiàn)控制對(duì)balance和account資源訪問(wèn)的鎖
Program for P1 [ Credit(貸) ]
//
http://www.csdn.net/blog/Iangao...
enter(lock); // 1. 進(jìn)入臨界區(qū)(加鎖)
balance=balance+account; // 2. <臨界區(qū)A>
leave(lock); // 3. 離開(kāi)臨界區(qū)(解鎖)
---------------------------------------------------------->
... // 4. 繼續(xù)P1任務(wù) Program for P1 [ Debit(借) ]
//
http://www.csdn.net/blog/Iangao...
enter(lock); // 2. 等待P1解鎖
//
http://www.csdn.net/blog/Iangao
balance=balance-account; // 4. <臨界區(qū)B> (獲取了P1釋放的鎖)
leave(lock); // 5. 解鎖
...
1.1.3 互斥鎖
隨著后面不斷深入的討論，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)有些臨界區(qū)的鎖是可以有限度的，它只阻止一部分可以引起相互干擾的進(jìn)程（線程）進(jìn)入臨界區(qū)，而不會(huì)阻止互不干擾的進(jìn)程(線程)進(jìn)入，這時(shí)可能會(huì)有幾個(gè)進(jìn)程(線程)并發(fā)的使用。不過(guò)本節(jié)我們只討論其中一種最簡(jiǎn)單的鎖，一種會(huì)阻隔一切想要進(jìn)入臨界區(qū)內(nèi)線程的鎖，由于它具有極強(qiáng)的排它性，因此我們稱它為互斥量(Mutex lock)。同樣由于它具有排它性，我們一般會(huì)用它來(lái)定義一個(gè)原子（atomic）操作，因?yàn)樗梢院芎玫谋ＷC對(duì)某一資源操作的不可分割性(individed)。下面我們簡(jiǎn)單定義了一個(gè)mutex的基本語(yǔ)義:
// 加鎖:原子操作
enter(mutex){
while(mutex) wait(); // 等待
mutex=TRUE; // 標(biāo)識(shí)資源忙
} // 解鎖:原子操作
leave(mutex){
mutex=FALSE; // 標(biāo)識(shí)資源可用
notify();
}
考虎到mutex是用于定義原子操作的，因此我們?cè)趯?shí)現(xiàn)時(shí)會(huì)對(duì)加鎖和解鎖操作進(jìn)行一定的約束，約束如下：
最后,為了保證臨界的原子性(atomic)，通常對(duì)一個(gè)互斥量Mutex做解鎖操作的進(jìn)程(線程)一定是前面對(duì)其進(jìn)行加鎖操作的進(jìn)程。 而不允許被其他進(jìn)程(線程)解鎖。下面的代碼清單演示了臨界區(qū)與鎖的工作原理:如果P1運(yùn)行到balance=balance+account時(shí)P2運(yùn)行到了enter(lock)，那么由于P1對(duì)"lock資源"已經(jīng)加鎖了，此時(shí)P2只處于等待狀態(tài)。直到P1執(zhí)行完exit(lock)后才釋放了對(duì)"lock資源"的控制權(quán)，這時(shí)P2使可以執(zhí)行enter(lock)操作，繼而在獨(dú)占lock資源的情況下完成臨界區(qū)中的代碼示意圖。
1.2 Java中的同步機(jī)制
1.2.1 synchronized關(guān)鍵字
1 定義臨界區(qū):
Java為了實(shí)現(xiàn)同步機(jī)制提供了synchronized關(guān)鍵字，我們可以使用它來(lái)定義被同步的對(duì)象以及臨界區(qū)，臨界區(qū)的范圍是由一組大括號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)的。而進(jìn)出臨界區(qū)時(shí)必要的加鎖和解鎖操作則是由Java內(nèi)置支持的。從功能上來(lái)說(shuō)，我們可以認(rèn)為左大括號(hào)起到enter(lock)的作用，而右大括號(hào)起到了exit(lock)的作用。下面清單中演示了synchronized與互斥鎖理論功能上的的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
private double balance, account; //共享變量
private Object lock=new Object(); //同步對(duì)象
Program for P1
...
synchronized(lock){ // 獲取資源并加鎖
balance=balance+account; // <臨界區(qū)>
} // 釋放資源并解鎖
... shared double balance, account; //共享變量
shared int lock=FALSE; //同步變量
Program for P1
...
enter(lock); // 獲取資源并加鎖
balance=balance+account; // <臨界區(qū)>
exit(lock); // 釋放資源并解鎖
...
2 定義同步對(duì)象:
我們知道了如何定義臨界區(qū)，但這還不夠，我們還需要知道如何定義這段臨界區(qū)要同步的對(duì)象(數(shù)據(jù)).在Java中有下面的兩種使用synchronized的方式，我們分別看一下它們是如何定義被同步的對(duì)象的：
一種是直接“聲明同步(synchronized)對(duì)象”: 這種方式的同步對(duì)象被明確的指定在了sychronized后的小括號(hào)，而其后的一組大括號(hào)內(nèi)定義的正是臨界區(qū)。這種方式使用起來(lái)很靈活，可以只對(duì)方法中的一段不可分割的代碼做同步，因此臨界區(qū)比較小，所以效率也就可以比較高了。下面清單中演示了這一用法的使用。
/**
* 聲明同步對(duì)象示例,參看上節(jié)示例
* @author iangao
*///
http://www.csdn.net/blog/Iangaopublic class Foo {
private double balance, amount; //共享資源
private Object synObject=new Object(); //同步對(duì)象
/**
* 參看上節(jié): [Program for P1]
*/
public void f(){
...
// 進(jìn)入 臨界區(qū),鎖定對(duì)synObj的訪問(wèn)
synchronized(synObject){ // 臨界區(qū)A
balance=balance+amount;
...//
http://www.csdn.net/blog/Iangao doSomethingInCriticalSectionA();
}
// 退出 臨界區(qū),釋放對(duì)synObj的鎖定//
http://www.csdn.net/blog/Iangao ...
}//
http://www.csdn.net/blog/Iangao /**
* 參看上節(jié): [Program for P2]
*/
public void g(){//
http://www.csdn.net/blog/Iangao ...
synchronized(synObject){ // 臨界區(qū)B
balance=balance-amount;
...
doSomethingInCriticalSectionB();
}
....//
http://www.csdn.net/blog/Iangao }
}
另一種是“聲明同步(synchronized)方法”：這種方式是把整個(gè)方法的實(shí)現(xiàn)都劃入了臨界區(qū).但它同步的是哪個(gè)對(duì)象呢？實(shí)際上這種方式是隱式的對(duì)this對(duì)象做同步的，相當(dāng)于一進(jìn)入方法就對(duì)this對(duì)象做同步操作[即synchronized(this){}]，直到方法結(jié)束 再解除同步。不過(guò)因?yàn)槭菍?duì)整個(gè)方法 做同步，所以有時(shí)會(huì)顯得效率不高，只是它用起來(lái)很方便。以下清單中描述了synchronized的這種用法，右邊演示了重構(gòu)成第一種使用方式時(shí)的樣子。
/**
* 聲明同步方法示例 （管程的Java實(shí)現(xiàn)）
* @author iangao
*/
public class Foo2 {//
http://www.csdn.net/blog/Iangao private double balance, amount; //共享資源
public synchronized void f(){ // 監(jiān)界區(qū)C
balance=balance+amount;
}//
http://www.csdn.net/blog/Iangao public synchronized void g(){ // 監(jiān)界區(qū)D
balance=balance-amount;
}
}//
http://www.csdn.net/blog/Iangao /**
* 按照同步對(duì)象的方法重構(gòu)Foo2后
* @author iangao
*/
public class Foo2 {
private double balance, amount; //共享資源
public void f(){
synchronized(this){ // 監(jiān)界區(qū)C
balance=balance+amount;
}
}
public void g(){
synchronized(this){ // 監(jiān)界區(qū)D
balance=balance-amount;
}
}
}
其實(shí)，通過(guò)sychronized關(guān)鍵字定義的同步對(duì)象，我們一般稱它為管程對(duì)象(Monitor)，在后面我們還會(huì)對(duì)管程進(jìn)行詳細(xì)討論。在此不再多述。
3 同步測(cè)試
測(cè)試1.1.3.2中synchronized同步示例，為了達(dá)到測(cè)試的目的可以分別在臨界區(qū)A,B,C,D中加入延時(shí)操作Thread.sleep(3000)并輸出一些調(diào)試信息。這樣就可以得到可見(jiàn)的同步效果顯示了。測(cè)試代碼可以參看下面的清單:
/**
* 同步對(duì)象測(cè)試
* @author iangao
*/
public class SynchronizedObjectTest {
public static void main(String[] args){
// 定義要同步的兩段代碼
new ThreadsTest(){
private Foo foo=new Foo();
void runInThread1() { // <反射>
foo.f(); // 在線程1中執(zhí)行foo.f()
}//
http://www.csdn.net/blog/Iangao void runInThread2() { // <反射>
foo.g(); // 在線程2中執(zhí)行foo.g()
}//
http://www.csdn.net/blog/Iangao }.execute(2); // 執(zhí)行同步測(cè)試(啟動(dòng)2個(gè)線程)
}//
http://www.csdn.net/blog/Iangao} 測(cè)試結(jié)果:
[T1]: 準(zhǔn)備進(jìn)入: synObject臨界區(qū)A
[T1]: 進(jìn)入: synObject臨界區(qū)A
[T1]: <執(zhí)行: balance=balance+amount>
[T1]: <sleep(3000)>
[T2]: 準(zhǔn)備進(jìn)入: synObject臨界區(qū)B //等待T1解鎖
[T1]: 離開(kāi): synObject臨界區(qū)A
[T2]: 進(jìn)入: synObject臨界區(qū)B //T1已解鎖
[T2]: <執(zhí)行: balance=balance-amount>
[T2]: <sleep(3000)>
[T1]: <已離開(kāi)臨界區(qū),與T2并行>
[T1]: <結(jié)束>
[T2]: 離開(kāi): synObject臨界區(qū)B
[T2]: <結(jié)束>
4. 對(duì)象鎖與類鎖
在Java中,用synchronized定義的都有兩種鎖,一個(gè)種是對(duì)象鎖(每個(gè)對(duì)象有一把鎖), 一種是類鎖(每個(gè)class有一把鎖),前面討論的主要是對(duì)象鎖,下我們用一個(gè)例子來(lái)研究對(duì)象鎖與類鎖的區(qū)別:
/**
* 類鎖測(cè)試
* @author iangao
*/
public class ClassLockTest extends ThreadsTest{
結(jié)論:
static方法定義的是類鎖, 而非static方法定義的是對(duì)象鎖. 因?yàn)閮蓚€(gè)方法同步的不是同一個(gè)鎖,所以同步失效.
執(zhí)行結(jié)果2(把g改成static后的):
[T1]: enter g
[T1]: leave g
[T2]: enter f
[T2]: leave f
結(jié)論:
此時(shí)兩個(gè)方法都是同步的class鎖, 同步成功!
1.2.2 wait-notify機(jī)制
1.2.2.1 wait、notify簡(jiǎn)介
Java語(yǔ)言為我們提供了一套用于線程間同步的通信機(jī)制即wait-nofity機(jī)制。前面我們知道了，sychronized關(guān)鍵字可以讓我們把任何一個(gè)Object對(duì)象做為同步對(duì)象來(lái)看待,而Java為每個(gè)Object都實(shí)現(xiàn)了wait()和notify()方法。它們必須用在被sychronized同步的Object的臨界區(qū)內(nèi)。通過(guò)的wait()我們可以使得處于臨界區(qū)內(nèi)的線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，同時(shí)釋放被同步對(duì)象的控制權(quán)，而notify操作可以喚醒一個(gè)因調(diào)用了wait操作而處于阻塞狀態(tài)中的線程,使其進(jìn)入就緒狀態(tài)。被重新?lián)Q醒的線程會(huì)試圖重新獲得臨界區(qū)的控制權(quán)，并繼續(xù)執(zhí)行臨界區(qū)內(nèi)wait之后面的代碼。如果發(fā)出notify操作時(shí)沒(méi)有處于阻塞狀態(tài)中的線程,那么該信號(hào)會(huì)被忽略.
/**
* Wait/Notify 機(jī)制測(cè)試
* @author iangao
*///
http://www.csdn.net/blog/Iangaopublic class WaitNotifyTest {
public static void main(String[] args){
new ThreadsTest(){
Object obj=new Object();
void runInThread1()
throws InterruptedException{
waiter();
}//
http://www.csdn.net/blog/Iangao void runInThread2(){
sleep(100);
notifyer();
}//
http://www.csdn.net/blog/Iangao void runInThread3(){
sleep(1000);
notifyer();
}//
http://www.csdn.net/blog/Iangao void runInThread4()
throws InterruptedException{
sleep(6000);
waiter();
}//
http://www.csdn.net/blog/Iangao /**
* WAITER
*/
void waiter()
throws InterruptedException {
output("<try enter>");
synchronized(obj){
output("enter");
int i=0;
for(;i<3;i++)
output(""+i,500);
output("wait...");
obj.wait();
output("back");
for(;i<5;i++)
output(""+i,100);
output("leave");
}
}//
http://www.csdn.net/blog/Iangao /**
* NOTIFYER
*/
void notifyer() {
output("<try enter>");
synchronized(obj){
int i=0;
output("enter");
for(;i<2;i++)
output(""+i,1000);
output("notify");
obj.notify();
for(; i<4; i++)
output(""+i,100);
output("leave");
}
}//
http://www.csdn.net/blog/Iangao }.execute(4);
}//
http://www.csdn.net/blog/Iangao}//
http://www.csdn.net/blog/Iangao execute(2)執(zhí)行結(jié)果：
[T1]: <try enter>
[T1]: enter
[T1]: 0... (0.5秒)
[T2]: <try enter> [1]
[T1]: 1... (0.5秒)
[T1]: 2... (0.5秒)
[T1]: wait...
[T2]: enter [2]
[T2]: 0... (1.0秒)
[T2]: 1... (1.0秒)
[T2]: notify [3]
[T2]: 2... (0.1秒)
[T2]: 3... (0.1秒)
[T2]: leave
[T1]: back [4]
[T1]: 3... (0.1秒)
[T1]: 4... (0.1秒)
[T1]: leave
execute(4)執(zhí)行結(jié)果:
[T1]: <try enter>
[T1]: enter
[T1]: 0... (0.5秒)
[T2]: <try enter>
[T1]: 1... (0.5秒)
[T1]: 2... (0.5秒)
[T3]: <try enter>
[T1]: wait... [1]
[T2]: enter
[T2]: 0... (1.0秒)
[T2]: 1... (1.0秒)
[T2]: notify [2]
[T2]: 2... (0.1秒)
[T2]: 3... (0.1秒)
[T2]: leave
[T3]: enter [3]
[T3]: 0... (1.0秒)
[T3]: 1... (1.0秒)
[T3]: notify [4]
[T3]: 2... (0.1秒)
[T3]: 3... (0.1秒)
[T3]: leave
[T1]: back [5]
[T1]: 3... (0.1秒)
[T4]: <try enter>
[T1]: 4... (0.1秒)
[T1]: leave
[T4]: enter
[T4]: 0... (0.5秒)
[T4]: 1... (0.5秒)
[T4]: 2... (0.5秒)
[T4]: wait... [6]
分析:
T2要進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)會(huì)由于T1掌控臨界區(qū)而等待。
wait()操作使得T1進(jìn)入了阻塞狀態(tài)并釋放了通過(guò)syncrhonized同步的對(duì)象obj的控制權(quán),這使得T2可以進(jìn)入臨界區(qū)
T2的notify()可以喚醒T1，但由于并不立即釋放對(duì)obj的控制權(quán)， 因此這時(shí)的T1處于就緒狀態(tài)
T1直到T2退出臨界區(qū)后才重獲控制權(quán)，并繼續(xù)后面的業(yè)務(wù)
分析:
T1 wait時(shí)雖然有T2,T3在等待，但也只能有一個(gè)線程進(jìn)入臨界區(qū).
由于在T2 notify之前T3已處于就緒狀態(tài)中，加上notify后的T1就有兩個(gè)處于就緒中的線程等待進(jìn)入臨界區(qū)了
在T2離開(kāi)臨界區(qū)時(shí)，有可能被T3先搶到臨界區(qū)，這時(shí)雖然T1已被T2喚醒，但仍要繼續(xù)等待。
T3發(fā)送notify信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)并沒(méi)有阻塞的線程，因此這個(gè)信號(hào)實(shí)際上根本沒(méi)起作用。
T1終于在T3結(jié)束后重獲了臨界區(qū)的控制權(quán)，不過(guò)時(shí)這離T2的snotify操作已經(jīng)很久了。
T4的wait操作由于沒(méi)有notify來(lái)激活，因此它會(huì)一直等下去，至于先前T3的notify是不會(huì)對(duì)后面的wait起作用的。
通過(guò)上面一系列的測(cè)試與分析，我們可以得出一個(gè)得要結(jié)論，那就是“wait()對(duì)notify()的響應(yīng)很有可能是不及時(shí)的”，之所以強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)是因?yàn)樗鶗?huì)由于響應(yīng)不及時(shí)而造成響應(yīng)時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)與發(fā)出notify時(shí)的不一致，所以在實(shí)際應(yīng)用中我們要多加注意這一點(diǎn)，尤其是在那些與狀態(tài)有關(guān)的同步應(yīng)用中這點(diǎn)尤為重要。
1.2.2.2 notify 與 notifyAll
notify的只能喚醒一個(gè)通過(guò)調(diào)用wait而等待的線程, notifyAll可以喚醒所有調(diào)用wait或因synchronized關(guān)鍵字而等待的線程. 不過(guò)通過(guò)notifyAll喚醒的所有線程也必須按照上節(jié)分析的過(guò)程,依次進(jìn)入臨界區(qū).
1.2.3 wait與sleep的比較
//
http://www.csdn.net/blog/Iangao wait() sleep()
所屬對(duì)象 Object Thread
阻塞當(dāng)前線程 可以 可以
使用條件 必須在管程(Monitor)內(nèi)使用,即所屬Object必須已被sychronized同步。 隨時(shí)
管程(Monitor)內(nèi)使用效果
(synchronized臨界區(qū)內(nèi)) 釋放對(duì)管程對(duì)象(Monitor)的控制權(quán) 不釋放對(duì)管程對(duì)象(Monitor)控制權(quán)
喚醒 notify() 無(wú)
發(fā)表于 @ 2008年10月09日 11:52:00 | 評(píng)
