Java高并发学习笔记（二）：线程安全与ThreadGroup

1 来源

  • 来源：《Java高并发编程详解 多线程与架构设计》，汪文君著
  • 章节：第四、六章

本文是两章的笔记整理。

2 概述

本文主要讲述了synchronized以及ThreadGroup的基本用法。

3 synchronized

3.1 简介

synchronized可以防止线程干扰和内存一致性错误，具体表现如下：

  • synchronized提供了一种锁机制，能够确保共享变量的互斥访问，从而防止数据不一致的问题
  • synchronized包括monitor enter和monitor exit两个JVM指令，能保证在任何时候任何线程执行到monitor enter成功之前都必须从主存获取数据，而不是从缓存中，在monitor exit运行成功之后，共享变量被更新后的值必须刷入主内存而不是仅仅在缓存中
  • synchronized指令严格遵循Happens-Beofre规则，一个monitor exit指令之前必定要有一个monitor enter

3.2 基本用法

synchronized的基本用法可以用于对代码块或方法进行修饰，比如：

private final Object MUTEX = new Object();
    
public void sync1(){
    synchronized (MUTEX){
    }
}

public synchronized void sync2(){
}

3.3 字节码简单分析

一个简单的例子如下：

public class Main {
    private static final Object MUTEX = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final Main m = new Main();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(m::access).start();
        }
    }

    public void access(){
        synchronized (MUTEX){
            try{
                TimeUnit.SECONDS.sleep(20);
            }catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

编译后查看字节码：

javap -v -c -s -l Main.class

access()字节码截取如下：

stack=3, locals=4, args_size=1
 0: getstatic     #9                  // Field MUTEX:Ljava/lang/Object;  获取MUTEX
 3: dup
 4: astore_1
 5: monitorenter					  // 执行monitor enter指令
 6: getstatic     #10                 // Field java/util/concurrent/TimeUnit.SECONDS:Ljava/util/concurrent/TimeUnit;
 9: ldc2_w        #11                 // long 20l
12: invokevirtual #13                 // Method java/util/concurrent/TimeUnit.sleep:(J)V
15: goto          23				  // 正常退出，跳转到字节码偏移量23的地方
18: astore_2
19: aload_2
20: invokevirtual #15                 // Method java/lang/InterruptedException.printStackTrace:()V
23: aload_1
24: monitorexit						  // monitor exit指令
25: goto          33
28: astore_3
29: aload_1
30: monitorexit
31: aload_3
32: athrow
33: return

关于monitorenter与monitorexit说明如下：

  • monitorenter：每一个对象与一个monitor相对应，一个线程尝试获取与对象关联的monitor的时候，如果monitor的计数器为0，会获得之后立即对计数器加1，如果一个已经拥有monitor所有权的线程重入，将导致计数器再次累加，而如果其他线程尝试获取时，会一直阻塞直到monitor的计数器变为0，才能再次尝试获取对monitor的所有权
  • monitorexit：释放对monitor的所有权，将monitor的计数器减1，如果计数器为0，意味着该线程不再拥有对monitor的所有权

3.4 注意事项

3.4.1 非空对象

与monitor关联的对象不能为空：

private Object MUTEX = null;
private void sync(){
    synchronized (MUTEX){

    }
}

会直接抛出空指针异常。

3.4.2 作用域不当

由于synchronized关键字存在排它性，作用域越大，往往意味着效率越低，甚至丧失并发优势，比如：

private synchronized void sync(){
    method1();
    syncMethod();
    method2();
}

其中只有第二个方法是并发操作，那么可以修改为

private Object MUTEX = new Object();
private void sync(){
    method1();
    synchronized (MUTEX){
        syncMethod();
    }
    method2();
}

3.4.3 使用不同的对象

因为一个对象与一个monitor相关联，如果使用不同的对象，这样就失去了同步的意义，例子如下：

public class Main {
    public static class Task implements Runnable{
        private final Object MUTEX = new Object();

        @Override
        public void run(){
            synchronized (MUTEX){
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(new Task()).start();
        }
    }
}

每一个线程争夺的monitor都是互相独立的，这样就失去了同步的意义，起不到互斥的作用。

3.5 死锁

另外，使用synchronized还需要注意的是有可能造成死锁的问题，先来看一下造成死锁可能的原因。

3.5.1 死锁成因

  • 交叉锁导致程序死锁：比如线程A持有R1的锁等待R2的锁，线程B持有R2的锁等待R1的锁
  • 内存不足：比如两个线程T1和T2，T1已获取10MB内存，T2获取了15MB内存，T1和T2都需要获取30MB内存才能工作，但是剩余可用的内存为10MB，这样两个线程都在等待彼此释放内存资源
  • 一问一答式的数据交换：服务器开启某个端口，等待客户端访问，客户端发送请求后，服务器因某些原因错过了客户端请求，导致客户端等待服务器回应，而服务器等待客户端发送请求
  • 死循环引起的死锁：比较常见，使用jstack等工具看不到死锁，但是程序不工作，CPU占有率高，这种死锁也叫系统假死，难以排查和重现

3.5.2 例子

public class Main {
    private final Object MUTEX_READ = new Object();
    private final Object MUTEX_WRITE = new Object();

    public void read(){
        synchronized (MUTEX_READ){
            synchronized (MUTEX_WRITE){
            }
        }
    }

    public void write(){
        synchronized (MUTEX_WRITE){
            synchronized (MUTEX_READ){
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Main m = new Main();
        new Thread(()->{
            while (true){
                m.read();
            }
        }).start();
        new Thread(()->{
            while (true){
                m.write();
            }
        }).start();
    }
}

两个线程分别占有MUTEX_READ/MUTEX_WRITE，同时等待另一个线程释放MUTEX_WRITE/MUTEX_READ，这就是交叉锁造成的死锁。

3.5.3 排查

使用jps找到进程后，通过jstack查看：

在这里插入图片描述

可以看到明确的提示找到了1个死锁，Thread-0等待被Thread-1占有的monitor，而Thread-1等待被Thread-0占有的monitor。

3.6 两个特殊的monitor

这里介绍两个特殊的monitor：

  • this monitor
  • class monitor

3.6.1 this monitor

先上一段代码：

public class Main {
    public synchronized void method1(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" method1");
        try{
            TimeUnit.MINUTES.sleep(5);
        }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public synchronized void method2(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" method2");
        try{
            TimeUnit.MINUTES.sleep(5);
        }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Main m = new Main();
        new Thread(m::method1).start();
        new Thread(m::method2).start();
    }
}

运行之后可以发现，只有一行输出，也就是说，只是运行了其中一个方法，另一个方法根本没有执行，使用jstack可以发现：

在这里插入图片描述

一个线程处于休眠中，而另一个线程处于阻塞中。而如果将method2()修改如下：

public void method2(){
    synchronized (this) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " method2");
        try {
            TimeUnit.MINUTES.sleep(5);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

效果是一样的。也就是说，在方法上使用synchronized，等价于synchronized(this)。

3.6.2 class monitor

把上面的代码中的方法修改为静态方法：

public class Main {
    public static synchronized void method1() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " method1");
        try {
            TimeUnit.MINUTES.sleep(5);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static synchronized void method2() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " method2");
        try {
            TimeUnit.MINUTES.sleep(5);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(Main::method1).start();
        new Thread(Main::method2).start();
    }
}

运行之后可以发现输出还是只有一行，也就是说只运行了其中一个方法，jstack分析也类似：

在这里插入图片描述

而如果将method2()修改如下：

public static void method2() {
    synchronized (Main.class) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " method2");
        try {
            TimeUnit.MINUTES.sleep(5);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

可以发现输出还是一致，也就是说，在静态方法上的synchronized，等价于synchronized(XXX.class)。

3.6.3 总结

  • this monitor：在成员方法上的synchronized，就是this monitor，等价于在方法中使用synchronized(this)
  • class monitor：在静态方法上的synchronized，就是class monitor，等价于在静态方法中使用synchronized(XXX.class)

4 ThreadGroup

4.1 简介

无论什么情况下，一个新创建的线程都会加入某个ThreadGroup中：

  • 如果新建线程没有指定ThreadGroup，默认就是main线程所在的ThreadGroup
  • 如果指定了ThreadGroup，那么就加入该ThreadGroup中

ThreadGroup中存在父子关系，一个ThreadGroup可以存在子ThreadGroup。

4.2 创建

创建ThreadGroup可以直接通过构造方法创建，构造方法有两个，一个是直接指定名字（ThreadGroup为main线程的ThreadGroup），一个是带有父ThreadGroup与名字的构造方法：

ThreadGroup group1 = new ThreadGroup("name");
ThreadGroup group2 = new ThreadGroup(group1,"name2");

完整例子：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ThreadGroup group1 = new ThreadGroup("name");
    ThreadGroup group2 = new ThreadGroup(group1,"name2");
    System.out.println(group2.getParent() == group1);
    System.out.println(group1.getParent().getName());
}

输出结果：

true
main

4.3 enumerate()

enumerate()可用于Thread和ThreadGroup的复制，因为一个ThreadGroup可以加入若干个Thread以及若干个子ThreadGroup，使用该方法可以方便地进行复制。方法描述如下：

  • public int enumerate(Thread [] list)
  • public int enumerate(Thread [] list, boolean recurse)
  • public int enumerate(ThreadGroup [] list)
  • public int enumerate(ThreadGroup [] list, boolean recurse)

上述方法会将ThreadGroup中的活跃线程/ThreadGroup复制到Thread/ThreadGroup数组中，布尔参数表示是否开启递归复制。

例子如下：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ThreadGroup myGroup = new ThreadGroup("MyGroup");
    Thread thread = new Thread(myGroup,()->{
        while (true){
            try{
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            }catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    },"MyThread");
    thread.start();
    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
    ThreadGroup mainGroup = currentThread().getThreadGroup();
    Thread[] list = new Thread[mainGroup.activeCount()];
    int recurseSize = mainGroup.enumerate(list);
    System.out.println(recurseSize);
    recurseSize = mainGroup.enumerate(list,false);
    System.out.println(recurseSize);
}

后一个输出比前一个少1，因为不包含myGroup中的线程（递归设置为false）。需要注意的是，enumerate()获取的线程仅仅是一个预估值，并不能百分百地保证当前group的活跃线程，比如调用复制之后，某个线程结束了生命周期或者新的线程加入进来，都会导致数据不准确。另外，返回的int值相较起Thread[]的长度更为真实，因为enumerate仅仅将当前活跃的线程分别放进数组中，而返回值int代表的是真实的数量而不是数组的长度。

4.4 其他API

  • activeCount()：获取group中活跃的线程，估计值
  • activeGroupCount()：获取group中活跃的子group，也是一个近似值，会递归获取所有的子group
  • getMaxPriority()：用于获取group的优先级，默认情况下，group的优先级为10，且所有线程的优先级不得大于线程所在group的优先级
  • getName()：获取group名字
  • getParent()：获取父group，如果不存在返回null
  • list()：一个输出方法，递归输出所有活跃线程信息到控制台
  • parentOf(ThreadGroup g)：判断当前group是不是给定group的父group，如果给定的group是自己本身，也会返回true
  • setMaxPriority(int pri)：指定group的最大优先级，设定后也会改变所有子group的最大优先级，另外，修改优先级后会出现线程优先级大于group优先级的情况，比如线程优先级为10，设置group优先级为5后，线程优先级就大于group优先级，但是新加入的线程优先级必须不能大于group优先级
  • interrupt()：导致所有的活跃线程被中断，递归调用线程的interrupt()
  • destroy()：如果没有任何活跃线程，调用后在父group中将自己移除
  • setDaemon(boolean daemon)：设置为守护ThreadGroup后，如果该ThreadGroup没有任何活跃线程，自动被销毁
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