眾所周知,在Java多線程編程中,一個非常重要的方面就是線程的同步問題。
關於線程的同步,一般有以下解決方法:
1. 在需要同步的方法的方法簽名中加入synchronized關鍵字。
2. 使用synchronized塊對需要進行同步的代碼段進行同步。
3. 使用JDK 5中提供的java.util.concurrent.lock包中的Lock對象。
另外,為了解決多個線程對同一變量進行訪問時可能發生的安全性問題,我們不僅可以采用同步機制,更可以通過JDK 1.2中加入的 ThreadLocal來保證更好的並發性。
本篇中,將詳細的討論Java多線程同步機制,並對ThreadLocal做出探討。
大致的目錄結構如下:
一、線程的先來後到——問題的提出:為什麼要有多線程同步?Java多線程同步的機制是什麼?
二、給我一把鎖,我能創造一個規矩——傳統的多線程同步編程方法有哪些?他們有何異同?
三、Lock來了,大家都讓開—— Java並發框架中的Lock詳解。
四、協作,互斥下的協作——Java多線程協作(wait、notify、notifyAll)
五、你有我有全都有—— ThreadLocal如何解決並發安全性?
六、總結——Java線程安全的幾種方法對比。
一、線程的先來後到
我們來舉一個Dirty的例子:某餐廳的衛生間很小,幾乎只能容納一個人如廁。為了保證不受干擾,如廁的人進入衛生間,就要鎖上房 門。我們可以把衛生間想象成是共享的資源,而眾多需要如廁的人可以被視作多個線程。假如衛生間當前有人占用,那麼其他人必須等待 ,直到這個人如廁完畢,打開房門走出來為止。這就好比多個線程共享一個資源的時候,是一定要分出先來後到的。
有人說:那如果我沒有這道門會怎樣呢?讓兩個線程相互競爭,誰搶先了,誰就可以先干活,這樣多好阿?但是我們知道:如果廁所沒 有門的話,如廁的人一起湧向廁所,那麼必然會發生爭執,正常的如廁步驟就會被打亂,很有可能會發生意想不到的結果,例如某些人可 能只好被迫在不正確的地方施肥……
正是因為有這道門,任何一個單獨進入如廁的人都可以順利的完成他們的如廁過程,而不會被干擾,甚至發生以外的結果。這就是說, 如廁的時候要講究先來後到。
那麼在Java 多線程程序當中,當多個線程競爭同一個資源的時候,如何能夠保證他們不會產生“打架”的情況呢?有人說是使用同步 機制。沒錯,像上面這個例子,就是典型的同步案例,一旦第一位開始如廁,則第二位必須等待第一位結束,才能開始他的如廁過程。一 個線程,一旦進入某一過程,必須等待正常的返回,並退出這一過程,下一個線程才能開始這個過程。這裡,最關鍵的就是衛生間的門。 其實,衛生間的門擔任的是資源鎖的角色,只要如廁的人鎖上門,就相當於獲得了這個鎖,而當他打開鎖出來以後,就相當於釋放了這個 鎖。
也就是說,多線程的線程同步機制實際上是靠鎖的概念來控制的。那麼在Java程序當中,鎖是如何體現的呢?
讓我們從JVM的角度來看看鎖這個概念:
在Java程序運行時環境中,JVM需要對兩類線程共享的數據進行協調:
1)保存在堆中的實例變量
2)保存在方法區中的類變量
這兩類數據是被所有線程共享的。
(程序不需要協調保存在Java 棧當中的數據。因為這些數據是屬於擁有該棧的線程所私有的。)
在java虛擬機中,每個對象和類在邏輯上都是和一個監視器相關聯的。
對於對象來說,相關聯的監視器保護對象的實例變量。
對於類來說,監視器保護類的類變量。
(如果一個對象沒有實例變量,或者一個類沒有變量,相關聯的監視器就什麼也不監視。)
為了實現監視器的排他性監視能力,java虛擬機為每一個對象和類都關聯一個鎖。代表任何時候只允許一個線程擁有的特權。線程訪問 實例變量或者類變量不需鎖。
但是如果線程獲取了鎖,那麼在它釋放這個鎖之前,就沒有其他線程可以獲取同樣數據的鎖了。(鎖住一個對象就是獲取對象相關聯的 監視器)
類鎖實際上用對象鎖來實現。當虛擬機裝載一個class文件的時候,它就會創建一個java.lang.Class類的實例。當鎖住一個對象的時候 ,實際上鎖住的是那個類的Class對象。
一個線程可以多次對同一個對象上鎖。對於每一個對象,java虛擬機維護一個加鎖計數器,線程每獲得一次該對象,計數器就加1,每 釋放一次,計數器就減1,當計數器值為0時,鎖就被完全釋放了。
java編程人員不需要自己動手加鎖,對象鎖是java虛擬機內部使用的。
在java程序中,只需要使用synchronized塊或者synchronized方法就可以標志一個監視區域。當每次進入一個監視區域時,java虛擬機 都會自動鎖上對象或者類。
看到這裡,我想你們一定都疲勞了吧?o(∩_∩)o...哈哈。讓我們休息一下,但是在這之前,請你們一定要記著:
當一個有限的資源被多個線程共享的時候,為了保證對共享資源的互斥訪問,我們一定要給他們排出一個先來後到。而要做到這一點, 對象鎖在這裡起著非常重要的作用。
如果你想知道更多細節,請接著看本系列的第二篇吧。