• 并发编程-线程安全性


    本节内容:

      并发模拟工具的使用、演示案例、线程安全性-原子性并演示JUC之Atomic包、回顾synchronized、lock、volatile关键字


    并发模拟工具:JMeter。我用的是windows下的,关于中文只需修改JMeter的bin目录下的jmeter.properties。修改language=zh_CN 再次运行jmeter.bat打开就是中文版。

    主界面打开,创建一个线程组。先了解一下线程属性。线程数:指虚拟用户数。Ramp-up:虚拟用户增长时长,用户做某一个操作的高峰期时长 分钟*秒。循环次数:虚拟用户做操作几次后停止。接下里开始一个简单的操作。在线程组上创建Http请求-创建图形结果-创建察看结果树-选项中设置日志查看。一些对应的参数这里就不做讲解了。通过图形结果和结果树我们可以清楚的看到并发时的接口情况,和每次请求详细的情况。


     并发模拟代码:我们利用一些辅助类来构建并发代码。CountDownLatch和Semaphore

    CountDownLatch:位于java.util.concurrent包下,利用它可以实现类似计数器的功能。比如有一个任务A,它要等待其他4个任务执行完毕之后才能执行,此时就可以利用CountDownLatch来实现这种功能了。

    该类只提供了一个构造器

    public CountDownLatch(int count) {  };  //参数count为计数值

    还有三个重要的方法:

    public void await() throws InterruptedException { };   //调用await()方法的线程会被挂起,它会等待直到count值为0才继续执行
    public boolean await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };  //和await()类似,只不过等待一定的时间后count值还没变为0的话就会继续执行
    public void countDown() { };  //将count值减1

      

    如图示:计数器初始值为3,线程A调用await方法后,进程进入等待状态。其他进程代码里执行countDown时,计数器减1.当计数器为0时,线程A才继续执行。该类可以阻塞线程并保证线程满足某种特定情况下继续执行。


     Semaphore:字面量就是信号量。可以控制同时访问的线程个数,通过 acquire() 获取一个许可,如果没有就等待,而 release() 释放一个许可。

    Semaphore类位于java.util.concurrent包下,它提供了2个构造器:

    public Semaphore(int permits) {          //参数permits表示许可数目,即同时可以允许多少线程进行访问
        sync = new NonfairSync(permits);
    }
    public Semaphore(int permits, boolean fair) {    //这个多了一个参数fair表示是否是公平的,即等待时间越久的越先获取许可
        sync = (fair)? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
    }

     其中有几个重要的方法:

    public void acquire() throws InterruptedException {  }     //获取一个许可
    public void acquire(int permits) throws InterruptedException { }    //获取permits个许可
    public void release() { }          //释放一个许可
    public void release(int permits) { }    //释放permits个许可

    acquire()用来获取一个许可,若无许可能够获得,则会一直等待,直到获得许可。

    release()用来释放许可。注意,在释放许可之前,必须先获获得许可。

    这4个方法都会被阻塞,如果想立即得到执行结果,可以使用下面几个方法:

    public boolean tryAcquire() { };    //尝试获取一个许可,若获取成功,则立即返回true,若获取失败,则立即返回false
    public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { };  //尝试获取一个许可,若在指定的时间内获取成功,则立即返回true,否则则立即返回false
    public boolean tryAcquire(int permits) { }; //尝试获取permits个许可,若获取成功,则立即返回true,若获取失败,则立即返回false
    public boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException { }; //尝试获取permits个许可,若在指定的时间内获取成功,则立即返回true,否则则立即返回false

     我们现在利用这两个辅助类,来完成一段并发演示代码。首先介绍一下,我自己定义了几个注释来区别不同的类:

    @NoRecommend:标记不推荐的类或写法
    @Recommend:标记推荐的类或写法
    @NotThreadSafe:线程不安全的类或写法
    @ThreadSafe:线程安全的类或写法

     首先我们创建一个线程不安全的类:

    @NotThreadSafe
    public class ConcurrencyExample1 {
        //请求总数
        public static int clientTotal = 5000;
        //同时并发执行的线程数
        public static int threadTotal = 200;
        //共享资源
        public static int count = 0;
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            //创建线程池
            ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
            //定义信号量
            final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
            //定义计数器
            final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
            for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
                executorService.execute(() ->{
                    try {
                //获取许可 判断当前进程是否允许被执行 semaphore.acquire(); add();
    //释放 semaphore.release(); } catch (Exception e) { System.out.println("exception:"+e.getMessage()); }
               //将计数值减1 countDownLatch.countDown(); }); }
          //保证所有进程执行完 countDownLatch.await(); executorService.shutdown(); System.out.println(
    "count:{}"+count); } private static void add(){ count++; } }

     多次执行会发现count的最终结果并不是5000,原因我就不在讲述了,在之前的相关博文中这一线程安全问题已经讲了好几遍了。

    既然出现了线程不安全我们就来复习一下何为线程安全性:

    线程安全性定义:当多个线程访问某个类时,不管运行时环境采用何种调度方式或者这些进程将如何交替执行,并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协同,这个类都能表现出正确的行为,那么就称这个类是线程安全的。

     那么关于线程安全性又有很重要的:原子性、可见性、有序性了。此处将之前的概念进行了小小的精简。

    原子性:提供了互斥访问,同一时刻只能有一个线程来怼它进行操作。
    可见性:一个线程对主内存的修改可以及时的被其他线程观察到。
    有序性:一个线程观察其他线程中的指令执行顺序,由于指令重排序的存在,该观察结果一般杂乱无序。

     在之前的多线程模块中。我们已经了解了可见性及有序性的处理。现在我们学一下如何在并发编程时保证原子性。

    原子性:并发包JUC--Atomic(此节单独对Atomic中的几种类进行讲解。)


     可见性:概念就不说了,主要来精简一下导致共享变量在线程间不可见的原因

      1、线程交叉执行

      2、重排序结合线程交叉执行

      3、共享变量更新后的值没有在工作内存与主内存间及时更新

    那处理可见性我们也有几种方式:synchronized、lock、volatile

      synchronized和lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码。并在释放锁之前对变量的修改刷新到住内存中,以此来保证可见性。

      在java内存模型中,关于synchronized有两条规定:

      1、线程解锁前,必须把共享变量的最新值刷新到主内存。

      2、线程加锁时,将清空工作内存中共享变量的值,从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值。注意:加锁与解锁是同一把锁

      当一个共享变量被volatile修饰时,它会保证修改的值立即被更新到主内存。其他线程读取时会从内存中读到新值。普通的共享变量不能保证可见性,其被写入内存的时机不确定。当其他线程去读,可能读到的是旧的值。

      它的实现是通过内存屏障和禁止重排序优化来实现:

      1、对volatile变量写操作时,会在写操作后加入一条store屏障指令,将本地内存中的共享变量值刷新到主内存。

      2、对volatile变量读操作时,会在读操作前加入一条load屏障指令,从主内存中读取共享变量。


     有序性-先行发生原子(happens-before)

      针对于内存模型中的有序来说,先行发生是java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系。

      简单介绍一下java内存模型下一些天然的先行发生关系,这些关系无须任何同步器协助就已经存在,可在编码中直接使用。

      程序次序规则:一个线程内,按照代码顺序,书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作

      锁定规则:一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作

      volatile变量规则:对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作

      传递规则:如果操作A先行发生于操作B,而操作B又先行发生于操作C,则可以得出操作A先行发生于caozuoB

      线程启动规则:Thread对象的start方法先行发生于此线程的每一个动作

      线程中断规则:对线程interrupt方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生

      线程终结规则:线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测,我们可以通过Thread.join方法结束Thread.isAlive的返回值手段检测到线程已经终止执行

      对象终结规则:一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize方法的开始

      

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