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Java 线程同步原理探析

发布时间:2019-06-27 02:38 来源:未知 编辑:admin

  现如今,服务器性能日益增长,并发(concurrency)编程已经“深入人心”,但由于冯诺依式计算机“指令存储,顺序执行”的特性,使得编写跨越时间维度的并发程序异常困难,所以现代编程语言都对并发编程提供了一定程度的支持,像 Golang 里面的 Goroutines、Clojure 里面的 STM(Software Transactional Memory)、Erlang 里面的 Actor。

  Java 对于并发编程的解决方案是多线程(Multi-threaded programming),而且 Java 中的线程 与 native 线程一一对应,多线程也是早期操作系统支持并发的方案之一(其他方案:多进程、IO多路复用)。

  本文着重介绍 Java 中线程同步的原理、实现机制,更侧重操作系统层面,部分原理参考 openjdk 源码。阅读本文需要对 CyclicBarrier、CountDownLatch 有基本的使用经验。

  在 Java 1.5 版本中,引入 JUC 并发编程辅助包,很大程度上降低了并发编程的门槛,JUC 里面主要包括:

  个人认为其中最重要也是最核心的是线程同步这一块,因为并发编程的难点就在于如何保证「共享区域(专业术语:临界区,Critical Section)的访问时序问题」。

  也就是说,AQS 通过维护内部的 FIFO 队列和具备原子更新的整型 state 这两个属性来实现各种锁机制,包括:是否公平,是否可重入,是否共享,是否可中断(interrupt),并在这基础上,提供了更方便实用的同步类,也就是一开始提及的 Latch、Barrier 等。

  这里暂时不去介绍 AQS 实现细节与如何基于 AQS 实现各种同步类(挖个坑),感兴趣的可以移步美团的一篇文章《不可不说的Java“锁”事》 第六部分“独享锁 VS 共享锁”。

  在 JDK 源码中,上述两个方法均用 native 实现(即 cpp 代码),追踪相关代码

  通过上面的 cpp 代码,我们大概能猜出 JVM 是使用 monitor 来实现的 wait/notify 机制,至于这里的 monitor 是何种机制,这里暂时跳过,接着看 lock 相关实现

  LockSupport 是用来实现堵塞语义模型的基础辅助类,主要有两个方法:park 与 unpark。(在英文中,park 除了“公园”含义外,还有“停车”的意思)

  看到这里大概就能知道 park 是使用 pthread_mutex_t 与 pthread_cond_t 实现。好了,到目前为止,就引出了 Java 中与堵塞相关的实现,不难想象,都是依赖底层操作系统的功能。

  并发编程领域的先锋人物 Edsger Dijkstra(没错,也是最短路径算法的作者)在 1965 年首次提出了信号量( Semaphores) 这一概念来解决线程同步的问题。信号量是一种特殊的变量类型,为非负整数,只有两个特殊操作PV:

  P(s) 如果 s!=0,将 s-1;否则将当前线程挂起,直到 s 变为非零

  V(s) 将 s+1,如果有线程堵塞在 P 操作等待 s 变成非零,那么 V 操作会重启这些线程中的任意一个

  signal 中没有定义重新启动的线程顺序,也即多个线程在等待同一信号量时,无法预测重启哪一个线程

  将每个共享变量(或一组相关的共享变量)与一个信号量 s (初始化为1)联系起来,然后用 wait/signal 操作将相应的临界区包围起来。

  一个被用作一组可用资源的计数器的信号量称为计数信号量(counting semaphore)

  除了互斥外,信号量的另一个重要作用是调度对共享资源的访问,比较经典的案例是生产者消费者,伪代码如下:

  Lack of structure,在设计大型系统时,很难保证 wait/signal 能以正确的顺序成对出现,顺序与成对缺一不可,否则就会出现死锁!

  Global visiblity,一旦程序出现死锁,整个程序都需要去检查

  所有访问同一监控器的线程通过条件变量(condition variables)间接通信

  上面提到监控器通过条件变量(简写 cv)来协调线程间的通信,那么条件变量是什么呢?它其实是一个 FIFO 的队列,用来保存那些因等待某些条件成立而被堵塞的线程,对于一个条件变量 c 来说,会关联一个断言(assertion) P。线程在等待 P 成立的过程中,该线程不会锁住该监控器,这样其他线程就能够进入监控器,修改监控器状态;在 P 成立时,其他线程会通知堵塞的线程,因此条件变量上主要有三个操作:

  signal(cv) 也称为 notify(cv) 用来通知 cv 成立,这时会唤醒等待的线程中的一个执行。根据唤醒策略,监控器分为两类:Hoare vs. Mesa,后面会介绍

  在 pthreads 中,所有使用条件变量的地方都必须用一个 mutex 锁起来,这是为什么呢?看下面一个例子:

  这里的关键点是,在进行条件变量的 wait 时,会释放该锁,以保证其他线程能够将之唤醒。不过需要注意的是,在线程 B 通知(signal) myCV 时,线程 A 无法立刻恢复执行,这是因为 myLock 这个锁还被线程 B 持有,只有在线程 B unlock(&myLock) 后,线程 A 才可恢复。总结一下:

  在上面条件变量中,我们提到 signal 在调用时,会去唤醒等待同一 cv 的线程,根据唤醒策略的不同,监控器也分为两类:

  Hoare 监控器(1974),最早的监控器实现,在调用 signal 后,会立刻运行等待的线程,这时调用 signal 的线程会被堵塞(因为锁被等待线程占有了)

  这两类监控器的关键区别在于等待线程被唤醒时,需要重新检查 P 是否成立。

  上图表示蓝色的线程在调用监控器的 get 方式时,数据为空,因此开始等待 emptyFull 条件;紧接着,红色线程调用监控器的 set 方法改变 emptyFull 条件,这时

  按照 Mesa 思路,红色线程会继续执行,蓝色线程会重新与绿色线程竞争与监控器关联的锁

  通过介绍操作系统支持的同步原语,我们知道了 park/unpark、wait/notify 其实就是利用信号量( pthread_mutex_t)、条件变量( pthread_cond_t)实现的,其实监控器也可以用信号量来实现。在查看 AQS 中,发现有这么一个属性:

  也就是说,在小于 1000 纳秒时,await 条件变量 P 时,会使用一个循环来代替条件变量的堵塞与唤醒,这是由于堵塞与唤醒本身的操作开销可能就远大于 await 的 timeout。相关代码:

  Selector.select() 响应中断异常的逻辑有些特别,因为对于这类堵塞 IO 操作来说,没有条件变量的堵塞唤醒机制,我们可以再看下 Thread.interrupt 的实现

  OpenJDK 使用了这么一个技巧来实现堵塞 IO 的中断唤醒:在一个线程被堵塞时,会关联一个 Interruptible 对象。

  当调用 interrupt 方式时,会关闭该 channel,这样就会关闭掉这个堵塞线程,可见为了实现这个功能,代价也是比较大的。LockSupport.park 中采用了类似技巧。

  也许基于多线程的并发编程不是最好的(可能是最复杂的,Clojure 好 :-),但却是最悠久的。

  即便我们自己不去写往往也需要阅读别人的多线程代码,而且能够写出“正确”(who knows?)的多线程程序往往也是区分 senior 与 junior 程序员的标志,希望这篇文章能帮助大家理解 Java 是如何实现线程控制,有疑问欢迎留言指出,谢谢!

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