【Java系列】Java併發之 Race Condition and Critical Section

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前言

這幾天學習併發編程,race-conditions-and-critical-sections,翻譯一下，寫點本身的筆記並加上點我的的理解。

網頁中裏中提到兩個名詞Race Condition 和 Critical Section，接下來對他們進行解釋和例子演示。

Race Condition

在多線程場景下，當多個線程訪問同一塊資源，且執行結果與線程訪問的前後順序相關，即代表這裏面存在着Race Condition，中文翻譯即競爭條件。

看下面👇的代碼,多個線程都會調用add方法對同一個count值進行加法。

public class Counter {

     protected long count = 0;

     public void add(long value){
         this.count = this.count + value;
     }
  }複製代碼

然而,add方法中的加法須要好幾個步驟才能完成。

1. 從內存中讀取count的值到寄存器。
2. 加value。
3. 寫回內存。複製代碼

若是有兩個線程都對add方法進行了操做，好比線程A加3,線程B加2,咱們的預期結果是5。因爲線程的訪問順序以及切換的時間是不可預期的,在特定的訪問順序下，可能出現一些出乎意料的結果,好比下文中的執行順序。

A:  Reads this.count into a register (0)
B:  Reads this.count into a register (0)
B:  Adds value 2 to register
B:  Writes register value (2) back to memory. this.count now equals 2
A:  Adds value 3 to register
A:  Writes register value (3) back to memory. this.count now equals 3複製代碼

因爲加法不是原子性的，在加法執行過程當中的每一步均可能存在着線程切換。
好比線程A和B都前後讀到0,而後線程B佔用了時間片完成了加2的操做,寫回了內存，此時內存中count的值等於2。
而後線程A從新獲得調度，此時線程A內部的count值仍是0,線程A對主內存內count的變化是不可見的,而後線程完成加3操做，寫回內存，此時count值等於3。

上述代碼中的add方法內部就存在着競爭條件，會根據線程執行順序的不肯定性影響最後的執行結果。

Critical Section

咱們把會致使Race Condition的區域稱爲Critical Section,中文翻譯臨界區。臨界區即每一個線程中訪問臨界資源的那段代碼。

在上文的代碼中,this.count就是臨界資源

this.count = this.count + value複製代碼

就是臨界區,爲了保證執行結果的正確性,避免臨界區內產生競爭條件,咱們須要確保臨界區內的執行是原子的,每次僅容許一個線程進去,進入後不容許其餘線程進入。

咱們能夠採用線程同步作到以上的要求，線程同步能夠使用synchronized同步代碼,或者locks,或者是原子變量好比AtomicInteger等。

能夠把整個臨界區使用synchronized同步，但把臨界區拆分紅多個小的臨界區可以下降對共享資源的爭奪，增長整個臨界區的吞吐量,下面舉個例子。

public class TwoSums {

    private int sum1 = 0;
    private int sum2 = 0;

    public void add(int val1, int val2){
        synchronized(this){
            this.sum1 += val1;   
            this.sum2 += val2;
        }
    }
}複製代碼

在上述代碼中,簡單的作法就是鎖住整個對象,只有一個線程可以執行兩個不一樣變量的加法操做。然而，因爲這兩個變量是互相獨立的，能夠拆分到兩個不一樣的synchronized塊中。

public class TwoSums {

    private int sum1 = 0;
    private int sum2 = 0;

    private Integer sum1Lock = new Integer(1);
    private Integer sum2Lock = new Integer(2);

    public void add(int val1, int val2){
        synchronized(this.sum1Lock){
            this.sum1 += val1;   
        }
        synchronized(this.sum2Lock){
            this.sum2 += val2;
        }
    }
}複製代碼

改動後，兩個線程能夠同時在add方法中操做，一個線程在第一個synchronized塊，另外一個線程在第二個synchronized塊，兩個synchronized塊同步的是不一樣的對象，因此兩個線程能夠獨立執行，總體線程等待的時間會變少，吞吐量可以獲得提高。