java併發臨界資源管理

所謂的併發，通常是指基於多處理器硬件環境的，容許系統在同一時刻執行多件不一樣的任務邏輯，在單處理器硬件環境下，通常是按照時間片輪轉的調度方式，實現宏觀意義上的併發，而事實上，在同一個時間點上，仍然只有一件任務在運行，我習慣把這種併發當作「僞併發」，如下所講的併發臨界資源管理，是基於多CPU硬件環境的。即在同一時刻，正在運行的不一樣CPU可能會訪問一些共用的資源，而臨界資源管理須要作的就是保證，這些資源的讀寫操做不能陷入死鎖以及，各線程得到的資源都是最新的。 

在提到併發以前，我得提到一個基礎問題，那就是，程序在運行時，爲了加快系統的運算速度，臨時數據通常是放在CPU緩存（Cache）中的，而不一樣的線程佔有一段不一樣的Cache，因此這裏就涉及到一個問題，即對共享資源而言，如何保證全部線程讀寫的同步。這就是併發所要解決的臨界資源管理問題的來由。java併發解決這個問題都是基於如下原理：保證每一個線程對共享資源的寫操做都是獨佔式的，且將發生改變的共享資源寫回到主存（memory）中，基於緩存一致性規則，系統全部Cache中的相同共享資源值將所有過時失效，其餘線程的讀操做被迫從主存中去取值了。（硬件實現，就不細說了） 

 一. Java多線程的實現 

Java中從語言上實現多線程是經過實例化Thread類，調用實例start()方法，執行其run（）方法所定義的任務來實現的。 獲得咱們本身的Thread實例，通常有兩種方式，一是讓本身的任務類繼承Thread父類，並覆寫其run方法，最後實例化這個任務類，調用start()方法，啓動線程。

 另外一種方法是任務類繼承Runnable接口，並實現其run()方法，經過Thread myThread = new Thread(myRunnable)，傳入該Runnable實例做爲構造器參數，從而得到Thread實例，調用start()方法，啓動線程。這種方式較爲經常使用。

 以上提到的兩種方式，都須要顯示得到Thread類的實例，並針對每單個Thread進行操做與管理。但在所需構建的線程較多時，這種方式便顯得較爲繁瑣，由於對系統資源的佔用與釋放問題都交給了咱們的設計者，因此Java中也提供了相似線程池的管理方式來管理這些線程。這些管理工具在java.util.concurrent包中。經過ExecutorService實例，進一步封裝了Thread管理細節，經過調用其execute()方法，執行線程，並經過shutdown()方式，釋放掉其中全部的線程所佔用的資源。其通用代碼以下：（推薦） 

 ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool();//獲取線程池 

 for(int i=0;i<5;i++){ 

       es.execute(new Accessor(i)); //執行線程 

 }

 TimeUnit.SECONDS.sleep(5); 

 es.shutdown(); //釋放全部資源 

其獲取線程池的方式有三種，分別是 

Executors.newCachedThreadPool():建立的線程池大小等於實際線程數 Executors.newFixedThreadPool(int num)：建立固定大小的線程池 Executors.newSingleThreadExecutor()：固定線程池大小爲1 

 二. 臨界資源管理 

這部分涉及到幾個經常使用的關鍵詞，一個是synchronized，一個是volatile，一個是Atomatic*一系列原子類，以及ThreadLocal(線程本地存儲)。 

 1. volatile 

這個關鍵字用來修飾變量，其功能和影響只須要記住一句話，它保證的是，被其所修飾的變量值，在每次發生改變以後，一定即時將改動後的值刷新寫入主存中。 

其侷限性也在於此，他只能保證變量的同步，而不是功能性的同步。例如對被volatile修飾的變量i，執行操做i++;這個操做並不線程安全，由於這個操做不是原子性的，它能夠拆分紅兩步，一步是讀i值，第二步是作加法；volatile只能保證第一步讀到的值必定是當時最新的，但在第二步以前，該線程可能被暫時掛起，進而去執行其餘的線程，若是其餘線程在此時修改了i的值，那麼第二步算出來的值就不是那麼合理了。因此功能性的同步，就是synchronized這個關鍵字的事情了。 

 2. synchronized 

這是Java併發保證同步最經常使用到的一個關鍵字。利用該關鍵字來保證同步是經過加鎖機制實現的，也能夠說是一種隱式加鎖方式，之因此這麼說，是由於你可使用java.util.concurrent.locks類庫中提供的Lock類顯示地對代碼塊進行加鎖以實現線程同步。

 Java中的每個對象均可以做爲鎖，這裏的鎖是針對加鎖和解鎖兩種操做來講的，即同一時刻至多隻有一個線程可以訪問做爲鎖的對象。根據synchronized的用途：synchronized能夠用於修飾普通方法、靜態方法以及代碼塊，鎖的表現形式有如下三種： 

對於普通同步方法，鎖是當前實例對象；對於靜態同步方法，鎖是當前類的Class對象；對於同步方法塊，鎖是synchronized括號裏參數指明的對象。 

關於synchronized須要說明的有兩點： 

（1）對於某個特定對象來講，其全部synchronized方法共享同一個鎖，即當一個類中同時包含多個Synchronized修飾的成員方法時，該類的一個實例對象，同一時刻只能訪問其中一個成員方法，對同步代碼塊，這一規則一樣成立。 

（2）synchronized關鍵字不屬於方法特徵簽名的組成部分，因此能夠在覆蓋方法的時候加上去。 

 3. 原子類 

須要首先說明的是，原子操做是指不能被線程調度機制中斷的操做。原子性能夠用於除了long和double以外的全部基本類型之上的簡單操做，即對於讀取和寫入除long和double以外的基本類型變量的值的操做，是原子操做。可是因爲long和double爲64bit數據，而JVM對64位的讀取和寫入是當作兩個分離的32位操做來執行，這就可能產生一個在讀取和寫入操做中間發生上下文切換的隱患，致使不正確結果的可能性，這也被稱爲字撕裂。因此Java SE5引入了諸如AtomicInteger、AtomicLong以及AtomicReference等特殊的原子性變量，並提供了其對應的讀寫方法，從而保證其讀寫操做的原子性。具體參考手冊，其類庫爲java.util.concurrent.atomic。 

 4. ThreadLocal 

引用自《Java編程編程思想》——「防止任務在共享資源上產生衝突的第二種方式是根除對變量的共享。線程本地存儲是一種自動化機制，能夠爲使用相同變量的每一個不一樣的線程都建立不一樣的存儲。所以，若是你有5個線程都要使用變量X所表示的對象，那麼線程本地存儲會生成5個用於X的不一樣的存儲塊。」，而建立和管理線程本地存儲能夠用java.lang.ThreadLocal類來實現。 

 其提供的示例代碼以下： 

 /** 

 * Created by Song on 2016/10/15. 

 */

 public class ThreadLocalVariableHolder {

      private static ThreadLocal<Integer> values = new ThreadLocal<Integer>(){ 

        private Random rand = new Random(47); 

       @Override 

       protected synchronized Integer initialValue() { 

              return rand.nextInt(10000); 

        } 

 }; 

 public static void increment(){ 

 values.set(values.get()+1); 

 } 

 public static int get(){return values.get();} 

 public static void main(String [] args) throws InterruptedException{ 

        ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor(); 

        for(int i=0;i<5;i++){ 

              es.execute(new Accessor(i)); 

        } 

        TimeUnit.SECONDS.sleep(5); 

        es.shutdown(); 

    } 

}

 class Accessor implements Runnable{ 

      private final int id; 

      public Accessor(int id){this.id=id;} 

      public void run() { 

          while (!Thread.currentThread().isInterrupted()){                     ThreadLocalVariableHolder.increment(); 

System.out.println(this); Thread.yield(); 

    } 

 } 

 public String toString(){ 

       return "#"+id+": "+ThreadLocalVariableHolder.get();

   }

 }