第2章 Java并行程序基础（二）

2.3 volatile 与 Java 内存模型(JMM)

  • volatile对于保证操作的原子性是由非常大的帮助的（可见性）。但是需要注意的是，volatile并不能代替锁，它也无法保证一些复合操作的原子性。比如下面的例子，通过volatile是无法保证i++的原子性操 作的：
static volatile int i = 0;
public static class PlusTask implements Runable {
    @Override
    public void run() {
        for (int k = 0; k < 10000; k++) {
            i++;
        }
    }
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread[] threads = new Thread[10];
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        threads[i] = new Thread(new PlusTask());
        threads[i].start();
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        threads[i].join();  //等待所有线程结束
    }
    
    System.out.println(i);
}
  • 上述代码的输出总是会小于100000，由于i++不是原子性的。
  • 此外，volatile也能保证数据的可见性和有序性。下面再来看一个简单的例子：
public class NoVisibility {
    private static boolean ready;
    private static int number;
    
    private static class ReaderThread extends Thread {
        public void run() {
            while (!ready);
            System.out.println(number);
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException  {
        new ReaderThread().start();
        Thread.sleep(1000);
        number = 42;
        ready = true;
        Thread.sleep(1000);
    }
}
  • 在虚拟机的Client模式下，由于JIT并没有做足够的优化，在主线程修改ready变量的状态后，ReaderThread可以发现这个改动，并退出程序。但是在Server模式下，由于系统优化的结果，ReaderThread线程无法“看到”主线程中的修改，导致ReaderThread永远无法退出。
  • 注意：可以使用Java虚拟机参数-server切换到Server模式。

2.4 分门别类的管理：线程组

  • 在一个系统中，如果线程数量很多，而且功能分配比较明确，就可以将相同功能的线程放置在一个线程组里。
  • 线程组的使用非常简单，如下：
public class ThreadGroupName implements Runnable {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadGroup tg = new ThreadGroup("PrintGroup");
        //使用Thread的构造函数，指定线程所属的线程组，将线程和线程组关联起来。
        Thread t1 = new Thread(tg, new ThreadGroupName(), "T1");
        Thread t2 = new Thread(tg, new ThreadGroupName(), "T2");
        t1.start();
        t2.start();
        //获得活动线程的总数，估计值。
        System.out.println(tg.activeCount());
        //打印这个线程组中所有的线程信息。
        tg.list();
    }
    
    @Override
    public void run() {
        String groupAndName = Thread.currentThread().getThreadGroup().getName() + "-" + Thread.currentThread().getName();
        
        while (true) {
            System.out.println("I am " + groupAndName);
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStaceTrace();
            }
        }
    }
}

2.5 驻守后台：守护线程（Daemon）

  • 守护线程是一种特殊的线程，它是系统的守护者，在后台默默地完成一些系统性的服务，比如垃圾回收线程、JIT线程就可以理解为守护线程。
  • 与之对应的是用户线程，用户线程可以认为是系统的工作线程，它会完成这个程序应该要完成的业务操作。
  • 当一个java应用内，只有守护线程时，Java虚拟机就会自然退出。
  • 下面简单地看一下守护线程的使用：
public class DaemonDemo {
    public static class DaemonT extends Thread {
        public void run() {
            while (true) {
                System.out.println("I am alive");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new DaemonT();
        t.setDaemon(true); //将线程t设置为守护线程。必须在start()之前设置。
        t.start();
        
        Thread.sleep(2000);
    }
}
  • 由于t被设置为守护线程，系统中只有主线程main为用户线程，因此在main线程休眠2秒后退出时，整个程序也随之结束。但如果不把线程t设置为守护线程，main线程结束后，t线程还会不停地打印，永远不会结束。

2.6 先干重要的事：线程优先级

  • 在Java中，使用1到10表示线程优先级。一般可以使用内置的三个静态标量表示：
public final static int MIN_PRIORITY = 1;
public final static int MIN_PRIORITY = 5;
public final static int MIN_PRIORITY = 10;
  • 数字越大则优先级越高，但有效范围在1到10之间。
  • 下面的代码展示了优先级的作用。高优先级的线程倾向于更快地完成。
public class PriorityDemo {
    public static class HightPriority extends Thread {
        static int count = 0;
        public void run() {
            while (true) {
                synchronized (PriorityDemo.class) {
                    count++;
                    if (count > 10000000) {
                        System.out.println("HightPriority is complete");
                        break;
                    }
                }
            }
        }
    }
    
    public static class LowPriority extends Thread {
        static int count = 0;
        public void run() {
            while (true) {
                synchronized (PriorityDemo.class) {
                    count++;
                    if (count > 10000000) {
                        System.out.println("LowPriority is complete");
                        break;
                    }
                }
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        Thread high = new HightPriority();
        LowPriority low = new new LowPriority();
        high.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
        low.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
        low.start();
        high.start();
    }
}
  • 在对count累加前，我们使用synchronized产生了一次资源竞争。目的是使得优先级的差异表现得更为明显。

2.7 线程安全的概念与synchronized

  • 关键字synchronized的作用是实现线程间的同步。它的工作是对同步的代码加锁，使得每一次，只能有一个线程进入同步块，从而保证线程间的安全性。
  • 关键字synchronized可以有多种用法。
    • 指定加锁对象：对给定对象加锁，进入同步代码前要获得给定对象的锁。
    • 直接作用于实例方法：相当于对当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁。
    • 直接作用于静态方法：相当于对当前类加锁，进入同步代码前要获得当前类的锁。
  • 下述代码，将synchronized作用于一个给定对象instance，因此，每次当线程进入被synchronized包裹的代码段，就都会要求请求instance实例的锁。如果当前有其他线程正持有这把锁，那么新到的线程就必须等待。这样，就保证了每次只能有一个线程执行i++操 作。
public class AccountingSync implements Runnable {
    static AccountingSync instance = new AccountingSync();
    static int i = 0;
    @Override
    public void run() {
        for (int j = 0; j < 10000000; j++) {
            synchronized(instance) {
                i++;
            }
        }
    }
}
  • 当然，上述代码也可以写成如下形式，两者是等价的：
public class AccountingSync2 implements Runnable {
    static AccountingSync2 instance = new AccountingSync2();
    static int i = 0;
    public synchronized void increase() {
        i++;
    }
    @Override
    public void run() {
        for (int j = 0; j < 10000000; j++) {
            increase();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(instance);
        Thread t2 = new Thread(instance);
        t1.start();t2.start();
        t1.join();t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}
  • 上述代码中，synchronized关键字作用于一个实例方法。这就是说在进入increase()方法前，线程必须获得当前对象实例的锁。在本例中就是instance对象。这里使用Runnable接口创建两个线程，并且这两个线程都指向同一个Runnable接口实例（instance）这样才能保证两个线程在工作时，能够关注到同一对象锁上去，从而保证线程安全。
  • 一种错误的同步方式如下：
public class AccountingSyncBad implements Runnable {
    static int i = 0;
    public synchronized void increase() {
        i++;
    }
    @Override
    public void run() {
        for (int j = 0; j < 10000000; j++) {
            increase();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new AccountingSyncBad());
        Thread t2 = new Thread(new AccountingSyncBad());
        t1.start();t2.start();
        t1.join();t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}
  • 上述代码中，这两个线程的Runnable实例并不是同一个对象。使用的是两把不同的锁。因此，线程安全是无法保证的。
  • 但是我们只要简单地修改上述代码，就能使其正确执行。那就是使用synchronized的第三种用法，将其作用于静态方法。
public static synchronized void increase() {
    i++;
}
  • 这样即使两个线程指向不同的Runable对象，但由于方法块需要请求的是当前类的锁，而非当前实例，因此，线程间还是可以正确同步。
  • 除了用于线程同步、确保线程安全外，synchronized还可以保证线程间的可见性和有序性。从可见性的角度上讲，synchronized可以完全替代volatile的功能，只是使用上没有那么方便。就有序性而言，由于synchronized限制每次只有一个线程可以访问同步块，因此，无论同步块内的代码如何被乱序执行，只要保证串行语义一致，那么执行结果总是一样的。而其他访问线程，又必须在获得锁后方能进入代码块读取数据，因此，它们看到的最终结果并不取决于代码的执行过程，从而有序性问题自然得到了解决。
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