在JAVA中線程起到的作用

在JAVA中線程到底起到什么作用!這是javaeye上非常經(jīng)典的關(guān)于線程的帖子，寫的非常通俗易懂的，適合任何讀計算機(jī)的同學(xué).線程同步我們可以在計算機(jī)上運行各種計算機(jī)軟件程序。每一個運行的程序可能包括多個獨立運行的線程（Thread）。線程（Thread）是一份獨立運行的程序，有自己專用的運行棧。線程有可能和其他線程共享一些資源，比如，內(nèi)存，文件，數(shù)據(jù)庫等。當(dāng)多個線程同時讀寫同一份共享資源的時候，可能會引起沖突。這時候，我們需要引入線程“同步”機(jī)制，即各位線程之間要有個先來后到，不能一窩蜂擠上去搶作一團(tuán)。同步這個詞是從英文synchronize（使同時發(fā)生）翻譯過來的。我也不明白為什么要用這個很容易引起誤解的詞。既然大家都這么用，咱們也就只好這么將就。線程同步的真實意思和字面意思恰好相反。線程同步的真實意思，其實是“排隊”：幾個線程之間要排隊，一個一個對共享資源進(jìn)行操作，而不是同時進(jìn)行操作。因此，關(guān)于線程同步，需要牢牢記住的第一點是:線程同步就是線程排隊。同步就是排隊。線程同步的目的就是避免線程“同步”執(zhí)行。這可真是個無聊的繞口令。關(guān)于線程同步，需要牢牢記住的第二點是“共享”這兩個字。只有共享資源的讀寫訪問才需要同步。如果不是共享資源，那么就根本沒有同步的必要。關(guān)于線程同步，需要牢牢記住的第三點是，只有“變量”才需要同步訪問。如果共享的資源是固定不變的，那么就相當(dāng)于“常量”，線程同時讀取常量也不需要同步。至少一個線程修改共享資源，這樣的情況下，線程之間就需要同步。關(guān)于線程同步，需要牢牢記住的第四點是：多個線程訪問共享資源的代碼有可能是同一份代碼，也有可能是不同的代碼；無論是否執(zhí)行同一份代碼，只要這些線程的代碼訪問同一份可變的共享資源，這些線程之間就需要同步。為了加深理解，下面舉幾個例子有兩個采購員，他們的工作內(nèi)容是相同的，都是遵循如下的步驟：（1）到市場上去，尋找并購買有潛力的樣品。（2）回到公司，寫報告。這兩個人的工作內(nèi)容雖然一樣，他們都需要購買樣品，他們可能買到同樣種類的樣品，但是他們絕對不會購買到同一件樣品，他們之間沒有任何共享資源。所以，他們可以各自進(jìn)行自己的工作，互不干擾。這兩個采購員就相當(dāng)于兩個線程；兩個采購員遵循相同的工作步驟，相當(dāng)于這兩個線程執(zhí)行同一段代碼。下面給這兩個采購員增加一個工作步驟。采購員需要根據(jù)公司的“布告欄”上面公布的信息，安排自己的工作計劃。這兩個采購員有可能同時走到布告欄的前面，同時觀看布告欄上的信息。這一點問題都沒有。因為布告欄是只讀的，這兩個采購員誰都不會去修改布告欄上寫的信息下面增加一個角色。一個辦公室行政人員這個時候，也走到了布告欄前面，準(zhǔn)備修改布告欄上的信息。如果行政人員先到達(dá)布告欄，并且正在修改布告欄的內(nèi)容。兩個采購員這個時候，恰好也到了。這兩個采購員就必須等待行政人員完成修改之后，才能觀看修改后的信息。如果行政人員到達(dá)的時候，兩個采購員已經(jīng)在觀看布告欄了。那么行政人員需要等待兩個采購員把當(dāng)前信息記錄下來之后，才能夠?qū)懮闲碌男畔?。上述這兩種情況，行政人員和采購員對布告欄的訪問就需要進(jìn)行同步。因為其中一個線程（行政人員）修改了共享資源（布告欄）。而且我們可以看到，行政人員的工作流程和采購員的工作流程（執(zhí)行代碼）完全不同，但是由于他們訪問了同一份可變共享資源（布告欄,）所以他們之間需要同步。同步鎖前面講了為什么要線程同步，下面我們就來看如何才能線程同步。線程同步的基本實現(xiàn)思路還是比較容易理解的。我們可以給共享資源加一把鎖，這把鎖只有一把鑰匙。哪個線程獲取了這把鑰匙，才有權(quán)利訪問該共享資源。生活中，我們也可能會遇到這樣的例子。一些超市的外面提供了一些自動儲物箱。每個儲物箱都有一把鎖，一把鑰匙。人們可以使用那些帶有鑰匙的儲物箱，把東西放到儲物箱里面，把儲物箱鎖上，然后把鑰匙拿走。這樣，該儲物箱就被鎖住了，其他人不能再訪問這個儲物箱。（當(dāng)然，真實的儲物箱鑰匙是可以被人拿走復(fù)制的，所以不要把貴重物品放在超市的儲物箱里面。于是很多超市都采用了電子密碼鎖。）線程同步鎖這個模型看起來很直觀。但是，還有一個嚴(yán)峻的問題沒有解決，這個同步鎖應(yīng)該加在哪里？當(dāng)然是加在共享資源上了。反應(yīng)快的讀者一定會搶先回答。沒錯，如果可能，我們當(dāng)然盡量把同步鎖加在共享資源上。一些比較完善的共享資源，比如，文件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等，自身都提供了比較完善的同步鎖機(jī)制。我們不用另外給這些資源加鎖，這些資源自己就有鎖。但是，大部分情況下，我們在代碼中訪問的共享資源都是比較簡單的共享對象。這些對象里面沒有地方讓我們加鎖。讀者可能會提出建議:為什么不在每一個對象內(nèi)部都增加一個新的區(qū)域，專門用來加鎖呢？這種設(shè)計理論上當(dāng)然也是可行的。問題在于，線程同步的情況并不是很普遍。如果因為這小概率事件，在所有對象內(nèi)部都開辟一塊鎖空間，將會帶來極大的空間浪費。得不償失。于是，現(xiàn)代的編程語言的設(shè)計思路都是把同步鎖加在代碼段上。確切的說，是把同步鎖加在“訪問共享資源的代碼段”上。這一點一定要記住，同步鎖是加在代碼段上的。同步鎖加在代碼段上，就很好地解決了上述的空間浪費問題。但是卻增加了模型的復(fù)雜度，也增加了我們的理解難度?，F(xiàn)在我們就來仔細(xì)分析“同步鎖加在代碼段上”的線程同步模型。首先，我們已經(jīng)解決了同步鎖加在哪里的問題。我們已經(jīng)確定，同步鎖不是加在共享資源上，而是加在訪問共享資源的代碼段上。其次，我們要解決的問題是，我們應(yīng)該在代碼段上加什么樣的鎖。這個問題是重點中的重點。這是我們尤其要注意的問題：訪問同一份共享資源的不同代碼段，應(yīng)該加上同一個同步鎖；如果加的是不同的同步鎖，那么根本就起不到同步的作用，沒有任何意義。這就是說，同步鎖本身也一定是多個線程之間的共享對象。Java語言的synchronized關(guān)鍵字為了加深理解，舉幾個代碼段同步的例子。不同語言的同步鎖模型都是一樣的。只是表達(dá)方式有些不同。這里我們以當(dāng)前最流行的Java語言為例。Java語言里面用synchronized關(guān)鍵字給代碼段加鎖。整個語法形式表現(xiàn)為synchronized（同步鎖）｛//訪問共享資源，需要同步的代碼段｝這里尤其要注意的就是，同步鎖本身一定要是共享的對象。…f1（）（Objectlockl=newObject（）;//產(chǎn)生一個同步鎖synchronized（lock1）｛//代碼段A//訪問共享資源resourcel//需要同步}}上面這段代碼沒有任何意義。因為那個同步鎖是在函數(shù)體內(nèi)部產(chǎn)生的。每個線程調(diào)用這段代碼的時候，都會產(chǎn)生一個新的同步鎖。那么多個線程之間，使用的是不同的同步鎖。根本達(dá)不到同步的目的。同步代碼一定要寫成如下的形式，才有意義。publicstaticfinalObjectlockl=newObject();…f1()(synchronized(lock1)(//lock1是公用同步鎖//代碼段A//訪問共享資源resource1//需要同步}你不一定要把同步鎖聲明為static或者public，但是你一定要保證相關(guān)的同步代碼之間，一定要使用同一個同步鎖。講到這里，你一定會好奇，這個同步鎖到底是個什么東西。為什么隨便聲明一個Object對象，就可以作為同步鎖？在Java里面，同步鎖的概念就是這樣的。任何一個ObjectReference都可以作為同步鎖。我們可以把ObjectReference理解為對象在內(nèi)存分配系統(tǒng)中的內(nèi)存地址。因此，要保證同步代碼段之間使用的是同一個同步鎖，我們就要保證這些同步代碼段的synchronized關(guān)鍵字使用的是同一個ObjectReference，同一個內(nèi)存地址。這也是為什么我在前面的代碼中聲明lock1的時候，使用了final關(guān)鍵字，這就是為了保證lock1的ObjectReference在整個系統(tǒng)運行過程中都保持不變。一些求知欲強(qiáng)的讀者可能想要繼續(xù)深入了解synchronzied(同步鎖)的實際運行機(jī)制。Java虛擬機(jī)規(guī)范中(你可以在google用“JVMSpec”等關(guān)鍵字進(jìn)行搜索)，有對synchronized關(guān)鍵字的詳細(xì)解釋synchronized會編譯成monitorenter,…monitorexit之類的指令對。Monitor就是實際上的同步鎖。每一個ObjectReference在概念上都對應(yīng)一個monitor0這些實現(xiàn)細(xì)節(jié)問題，并不是理解同步鎖模型的關(guān)鍵。我們繼續(xù)看幾個例子，加深對同步鎖模型的理解。publicstaticfinalObjectlock1=newObject();…f1()(synchronized(lock1)(//lock1是公用同步鎖//代碼段A//訪問共享資源resource1//需要同步}}…f2()(synchronized(lock1)(//lock1是公用同步鎖//代碼段B//訪問共享資源resource1//需要同步}}上述的代碼中，代碼段A和代碼段B就是同步的。因為它們使用的是同一個同步鎖lockl。如果有10個線程同時執(zhí)行代碼段A，同時還有20個線程同時執(zhí)行代碼段B，那么這30個線程之間都是要進(jìn)行同步的。這30個線程都要競爭一個同步鎖lockl。同一時刻，只有一個線程能夠獲得lockl的所有權(quán)，只有一個線程可以執(zhí)行代碼段A或者代碼段B。其他競爭失敗的線程只能暫停運行，進(jìn)入到該同步鎖的就緒(Ready)隊列。每一個同步鎖下面都掛了幾個線程隊列，包括就緒(Ready)隊列，待召(Waiting)隊列等。比如，lockl對應(yīng)的就緒隊列就可以叫做lockl-readyqueue。每個隊列里面都可能有多個暫停運行的線程。注意，競爭同步鎖失敗的線程進(jìn)入的是該同步鎖的就緒(Ready)隊列，而不是后面要講述的待召隊列(WaitingQueue，也可以翻譯為等待隊列)。就緒隊列里面的線程總是時刻準(zhǔn)備著競爭同步鎖，時刻準(zhǔn)備著運行。而待召隊列里面的線程則只能一直等待，直到等到某個信號的通知之后，才能夠轉(zhuǎn)移到就緒隊列中，準(zhǔn)備運行。成功獲取同步鎖的線程，執(zhí)行完同步代碼段之后，會釋放同步鎖。該同步鎖的就緒隊列中的其他線程就繼續(xù)下一輪同步鎖的競爭。成功者就可以繼續(xù)運行，失敗者還是要乖乖地待在就緒隊列中。因此，線程同步是非常耗費資源的一種操作。我們要盡量控制線程同步的代碼段范圍。同步的代碼段范圍越小越好。我們用一個名詞“同步粒度”來表示同步代碼段的范圍。同步粒度在Java語言里面，我們可以直接把synchronized關(guān)鍵字直接加在函數(shù)的定義上。比如。...synchronized...f1()(//fl代碼段}這段代碼就等價于…f1()(synchronized(this)(//同步鎖就是對象本身//fl代碼段}}同樣的原則適用于靜態(tài)(static)函數(shù)比如。...staticsynchronized...f1()(//fl代碼段}這段代碼就等價于...static...f1()(synchronized(Class.forName(?))(//同步鎖是類定義本//fl代碼段}}但是，我們要盡量避免這種直接把synchronized加在函數(shù)定義上的偷懶做法。因為我們要控制同步粒度。同步的代碼段越小越好。synchronized控制的范圍越小越好。我們不僅要在縮小同步代碼段的長度上下功夫，我們同時還要注意細(xì)分同步鎖。比如，下面的代碼publicstaticfinalObjectlockl=newObject();…f1()(synchronized(lock1)(//lock1是公用同步鎖//代碼段A//訪問共享資源resource1//需要同步}}…f2()(synchronized(lock1)(//lock1是公用同步鎖//代碼段B//訪問共享資源resource】//需要同步}}...f3()(synchronized(lock1)(//lock1是公用同步鎖//代碼段C//訪問共享資源resource2//需要同步}}…f4()(synchronized(lock1)(//lock1是公用同步鎖//代碼段D//訪問共享資源resource2//需要同步}}上述的4段同步代碼，使用同一個同步鎖lock1。所有調(diào)用4段代碼中任何一段代碼的線程，都需要競爭同一個同步鎖lock1。我們仔細(xì)分析一下，發(fā)現(xiàn)這是沒有必要的。因為f1()的代碼段A和f2()的代碼段B訪問的共享資源是resource］，f3()的代碼段C和f4()的代碼段D訪問的共享資源是resource2,它們沒有必要都競爭同一個同步鎖lock1。我們可以增加一個同步鎖lock2。f3()和f4()的代碼可以修改為：publicstaticfinalObjectlock2=newObject();…f3()(synchronized(lock2)(//lock2是公用同步鎖//代碼段C//訪問共享資源resource2//需要同步}}f4()(synchronized(lock2)(//lock2是公用同步鎖//代碼段D//訪問共享資源resource2//需要同步}}這樣，f1()和f2()就會競爭lockl,而f3()和f4()就會競爭lock2。這樣，分開來分別競爭兩個鎖，就可以大大較少同步鎖競爭的概率，從而減少系統(tǒng)的開銷。信號量同步鎖模型只是最簡單的同步模型。同一時刻，只有一個線程能夠運行同步代碼。有的時候，我們希望處理更加復(fù)雜的同步模型，比如生產(chǎn)者/消費者模型、讀寫同步模型等。這種情況下，同步鎖模型就不夠用了。我們需要一個新的模型。這就是我們要講述的信號量模型。信號量模型的工作方式如下：線程在運行的過程中，可以主動停下來，等待某個信號量的通知；這時候，該線程就進(jìn)入到該信號量的待召(Waiting)隊列當(dāng)中；等到通知之后，再繼續(xù)運行。很多語言里面，同步鎖都由專門的對象表示，對象名通常叫Monitor。同樣，在很多語言中，信號量通常也有專門的對象名來表示，比如，Mutex，Semphore。信號量模型要比同步鎖模型復(fù)雜許多。一些系統(tǒng)中，信號量甚至可以跨進(jìn)程進(jìn)行同步。另外一些信號量甚至還有計數(shù)功能，能夠控制同時運行的線程數(shù)。我們沒有必要考慮那么復(fù)雜的模型。所有那些復(fù)雜的模型，都是最基本的模型衍生出來的。只要掌握了最基本的信號量模型一一“等待/通知”模型，復(fù)雜模型也就迎刃而解了。我們還是以Java語言為例。Java語言里面的同步鎖和信號量概念都非常模糊，沒有專門的對象名詞來表示同步鎖和信號量，只有兩個同步鎖相關(guān)的關(guān)鍵字一一volatile和synchronized。這種模糊雖然導(dǎo)致概念不清，但同時也避免了Monitor、Mutex、Semphore等名詞帶來的種種誤解。我們不必執(zhí)著于名詞之爭，可以專注于理解實際的運行原理。在Java語言里面，任何一個ObjectReference都可以作為同步鎖。同樣的道理，任何一個ObjectReference也可以作為信號量。Object對象的wait()方法就是等待通知，Object對象的notify()方法就是發(fā)出通知。具體調(diào)用方法為(1)等待某個信號量的通知publicstaticfinalObjectsignal=newObject();…f1()(synchronized(singal){//首先我們要獲取這個信號量。這個信號量同時也是一個同步鎖//只有成功獲取了signal這個信號量兼同步鎖之后，我們才可能進(jìn)入這段代碼signal.wait();//這里要放棄信號量。本線程要進(jìn)入signal信號量的待召(Waiting)隊列//可憐。辛辛苦苦爭取到手的信號量，就這么被放棄了//等到通知之后，從待召(Waiting)隊列轉(zhuǎn)到就緒(Ready)隊列里面//轉(zhuǎn)到了就緒隊列中，離CPU核心近了一步，就有機(jī)會繼續(xù)執(zhí)行下面的代碼了。//仍然需要把signal同步鎖競爭到手，才能夠真正繼續(xù)執(zhí)行下面的代碼。命苦啊。…}}需要注意的是，上述代碼中的signal.wait()的意思。signal.wait()彳艮容易導(dǎo)致誤解。signal.wait()的意思并不是說，signal開始wait,而是說，運行這段代碼的當(dāng)前線程開始wait這個signal對象，即進(jìn)入signal對象的待召(Waiting)隊列。(2)發(fā)出某個信號量的通知…f2()(synchronized(singal){//首先，我們同樣要獲取這個信號量。同時也是一個同步鎖。//只有成功獲取了signal這個信號量兼同步鎖之后，我們才可能進(jìn)入這段代碼signal.notify();//這里，我們通知signal的待召隊列中的某個線程?！ㄈ绻硞€線程等到了這個通知，那個線程就會轉(zhuǎn)到就緒隊列中//但是本線程仍然繼續(xù)擁有signal這個同步鎖，本線程仍然繼續(xù)執(zhí)行//嘿嘿，雖然本線程好心通知其他線程，//但是，本線程可沒有那么高風(fēng)亮節(jié)，放棄到手的同步鎖//本線程繼續(xù)執(zhí)行下面的代碼…}}需要注意的是，signal.notify()的意思。signal.notify()并不是通知signal這個對象本身。而是通知正在等待signal信號量的其他線程。以上就是Object的wait()和notify()的基本用法。實際上，wait()還可以定義等待時間，當(dāng)線程在某信號量的待召隊列中，等到足夠長的時間，就會等無可等，無需再等，自己就從待召隊列轉(zhuǎn)移到就