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Java高並行學習筆記（二）：執行緒安全與ThreadGroup

2021-05-10 21:01:33

1 來源

  • 來源：《Java高並行程式設計詳解 多執行緒與架構設計》，汪文君著
  • 章節：第四、六章

本文是兩章的筆記整理。

2 概述

本文主要講述了synchronized以及ThreadGroup的基本用法。

3 synchronized

3.1 簡介

synchronized可以防止執行緒干擾和記憶體一致性錯誤，具體表現如下：

  • synchronized提供了一種鎖機制，能夠確保共用變數的互斥存取，從而防止資料不一致的問題
  • synchronized包括monitor enter和monitor exit兩個JVM指令，能保證在任何時候任何執行緒執行到monitor enter成功之前都必須從主記憶體獲取資料，而不是從快取中，在monitor exit執行成功之後，共用變數被更新後的值必須刷入主記憶體而不是僅僅在快取中
  • synchronized指令嚴格遵循Happens-Beofre規則，一個monitor exit指令之前必定要有一個monitor enter

3.2 基本用法

synchronized的基本用法可以用於對程式碼塊或方法進行修飾，比如：

private final Object MUTEX = new Object();
    
public void sync1(){
    synchronized (MUTEX){
    }
}

public synchronized void sync2(){
}

3.3 位元組碼簡單分析

一個簡單的例子如下：

public class Main {
    private static final Object MUTEX = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final Main m = new Main();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(m::access).start();
        }
    }

    public void access(){
        synchronized (MUTEX){
            try{
                TimeUnit.SECONDS.sleep(20);
            }catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

編譯後檢視位元組碼：

javap -v -c -s -l Main.class

access()位元組碼擷取如下：

stack=3, locals=4, args_size=1
 0: getstatic     #9                  // Field MUTEX:Ljava/lang/Object;  獲取MUTEX
 3: dup
 4: astore_1
 5: monitorenter                      // 執行monitor enter指令
 6: getstatic     #10                 // Field java/util/concurrent/TimeUnit.SECONDS:Ljava/util/concurrent/TimeUnit;
 9: ldc2_w        #11                 // long 20l
12: invokevirtual #13                 // Method java/util/concurrent/TimeUnit.sleep:(J)V
15: goto          23                  // 正常退出，跳轉到位元組碼偏移量23的地方
18: astore_2
19: aload_2
20: invokevirtual #15                 // Method java/lang/InterruptedException.printStackTrace:()V
23: aload_1
24: monitorexit                          // monitor exit指令
25: goto          33
28: astore_3
29: aload_1
30: monitorexit
31: aload_3
32: athrow
33: return

關於monitorenter與monitorexit說明如下：

  • monitorenter：每一個物件與一個monitor相對應，一個執行緒嘗試獲取與物件關聯的monitor的時候，如果monitor的計數器為0，會獲得之後立即對計數器加1，如果一個已經擁有monitor所有權的執行緒重入，將導致計數器再次累加，而如果其他執行緒嘗試獲取時，會一直阻塞直到monitor的計數器變為0，才能再次嘗試獲取對monitor的所有權
  • monitorexit：釋放對monitor的所有權，將monitor的計數器減1，如果計數器為0，意味著該執行緒不再擁有對monitor的所有權

3.4 注意事項

3.4.1 非空物件

與monitor關聯的物件不能為空：

private Object MUTEX = null;
private void sync(){
    synchronized (MUTEX){

    }
}

會直接丟擲空指標異常。

3.4.2 作用域不當

由於synchronized關鍵字存在排它性，作用域越大，往往意味著效率越低，甚至喪失並行優勢，比如：

private synchronized void sync(){
    method1();
    syncMethod();
    method2();
}

其中只有第二個方法是並行操作，那麼可以修改為

private Object MUTEX = new Object();
private void sync(){
    method1();
    synchronized (MUTEX){
        syncMethod();
    }
    method2();
}

3.4.3 使用不同的物件

因為一個物件與一個monitor相關聯，如果使用不同的物件，這樣就失去了同步的意義，例子如下：

public class Main {
    public static class Task implements Runnable{
        private final Object MUTEX = new Object();

        @Override
        public void run(){
            synchronized (MUTEX){
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(new Task()).start();
        }
    }
}

每一個執行緒爭奪的monitor都是互相獨立的，這樣就失去了同步的意義，起不到互斥的作用。

3.5 死鎖

另外，使用synchronized還需要注意的是有可能造成死鎖的問題，先來看一下造成死鎖可能的原因。

3.5.1 死鎖成因

  • 交叉鎖導致程式死鎖：比如執行緒A持有R1的鎖等待R2的鎖，執行緒B持有R2的鎖等待R1的鎖
  • 記憶體不足：比如兩個執行緒T1和T2，T1已獲取10MB記憶體，T2獲取了15MB記憶體，T1和T2都需要獲取30MB記憶體才能工作，但是剩餘可用的記憶體為10MB，這樣兩個執行緒都在等待彼此釋放記憶體資源
  • 一問一答式的資料交換：伺服器開啟某個埠，等待使用者端存取，使用者端傳送請求後，伺服器因某些原因錯過了使用者端請求，導致使用者端等待伺服器迴應，而伺服器等待使用者端傳送請求
  • 死迴圈引起的死鎖：比較常見，使用jstack等工具看不到死鎖，但是程式不工作，CPU佔有率高，這種死鎖也叫系統假死，難以排查和重現

3.5.2 例子

public class Main {
    private final Object MUTEX_READ = new Object();
    private final Object MUTEX_WRITE = new Object();

    public void read(){
        synchronized (MUTEX_READ){
            synchronized (MUTEX_WRITE){
            }
        }
    }

    public void write(){
        synchronized (MUTEX_WRITE){
            synchronized (MUTEX_READ){
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Main m = new Main();
        new Thread(()->{
            while (true){
                m.read();
            }
        }).start();
        new Thread(()->{
            while (true){
                m.write();
            }
        }).start();
    }
}

兩個執行緒分別佔有MUTEX_READ/MUTEX_WRITE，同時等待另一個執行緒釋放MUTEX_WRITE/MUTEX_READ，這就是交叉鎖造成的死鎖。

3.5.3 排查

使用jps找到程序後，通過jstack檢視：

在這裡插入圖片描述

可以看到明確的提示找到了1個死鎖，Thread-0等待被Thread-1佔有的monitor，而Thread-1等待被Thread-0佔有的monitor。

3.6 兩個特殊的monitor

這裡介紹兩個特殊的monitor：

  • this monitor
  • class monitor

3.6.1 this monitor

先上一段程式碼：

public class Main {
    public synchronized void method1(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" method1");
        try{
            TimeUnit.MINUTES.sleep(5);
        }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public synchronized void method2(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" method2");
        try{
            TimeUnit.MINUTES.sleep(5);
        }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Main m = new Main();
        new Thread(m::method1).start();
        new Thread(m::method2).start();
    }
}

執行之後可以發現，只有一行輸出，也就是說，只是執行了其中一個方法，另一個方法根本沒有執行，使用jstack可以發現：

在這裡插入圖片描述

一個執行緒處於休眠中，而另一個執行緒處於阻塞中。而如果將method2()修改如下：

public void method2(){
    synchronized (this) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " method2");
        try {
            TimeUnit.MINUTES.sleep(5);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

效果是一樣的。也就是說，在方法上使用synchronized，等價於synchronized(this)。

3.6.2 class monitor

把上面的程式碼中的方法修改為靜態方法：

public class Main {
    public static synchronized void method1() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " method1");
        try {
            TimeUnit.MINUTES.sleep(5);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static synchronized void method2() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " method2");
        try {
            TimeUnit.MINUTES.sleep(5);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(Main::method1).start();
        new Thread(Main::method2).start();
    }
}

執行之後可以發現輸出還是隻有一行，也就是說只執行了其中一個方法，jstack分析也類似：

在這裡插入圖片描述

而如果將method2()修改如下：

public static void method2() {
    synchronized (Main.class) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " method2");
        try {
            TimeUnit.MINUTES.sleep(5);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

可以發現輸出還是一致，也就是說，在靜態方法上的synchronized，等價於synchronized(XXX.class)。

3.6.3 總結

  • this monitor：在成員方法上的synchronized，就是this monitor，等價於在方法中使用synchronized(this)
  • class monitor：在靜態方法上的synchronized，就是class monitor，等價於在靜態方法中使用synchronized(XXX.class)

4 ThreadGroup

4.1 簡介

無論什麼情況下，一個新建立的執行緒都會加入某個ThreadGroup中：

  • 如果新建執行緒沒有指定ThreadGroup，預設就是main執行緒所在的ThreadGroup
  • 如果指定了ThreadGroup，那麼就加入該ThreadGroup中

ThreadGroup中存在父子關係，一個ThreadGroup可以存在子ThreadGroup。

4.2 建立

建立ThreadGroup可以直接通過構造方法建立，構造方法有兩個，一個是直接指定名字（ThreadGroup為main執行緒的ThreadGroup），一個是帶有父ThreadGroup與名字的構造方法：

ThreadGroup group1 = new ThreadGroup("name");
ThreadGroup group2 = new ThreadGroup(group1,"name2");

完整例子：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ThreadGroup group1 = new ThreadGroup("name");
    ThreadGroup group2 = new ThreadGroup(group1,"name2");
    System.out.println(group2.getParent() == group1);
    System.out.println(group1.getParent().getName());
}

輸出結果：

true
main

4.3 enumerate()

enumerate()可用於Thread和ThreadGroup的複製，因為一個ThreadGroup可以加入若干個Thread以及若干個子ThreadGroup，使用該方法可以方便地進行復制。方法描述如下：

  • public int enumerate(Thread [] list)
  • public int enumerate(Thread [] list, boolean recurse)
  • public int enumerate(ThreadGroup [] list)
  • public int enumerate(ThreadGroup [] list, boolean recurse)

上述方法會將ThreadGroup中的活躍執行緒/ThreadGroup複製到Thread/ThreadGroup陣列中，布林參數列示是否開啟遞迴複製。

例子如下：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ThreadGroup myGroup = new ThreadGroup("MyGroup");
    Thread thread = new Thread(myGroup,()->{
        while (true){
            try{
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            }catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    },"MyThread");
    thread.start();
    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
    ThreadGroup mainGroup = currentThread().getThreadGroup();
    Thread[] list = new Thread[mainGroup.activeCount()];
    int recurseSize = mainGroup.enumerate(list);
    System.out.println(recurseSize);
    recurseSize = mainGroup.enumerate(list,false);
    System.out.println(recurseSize);
}

後一個輸出比前一個少1，因為不包含myGroup中的執行緒（遞迴設定為false）。需要注意的是，enumerate()獲取的執行緒僅僅是一個預估值，並不能百分百地保證當前group的活躍執行緒，比如呼叫複製之後，某個執行緒結束了生命週期或者新的執行緒加入進來，都會導致資料不準確。另外，返回的int值相較起Thread[]的長度更為真實，因為enumerate僅僅將當前活躍的執行緒分別放進陣列中，而返回值int代表的是真實的數量而不是陣列的長度。

4.4 其他API

  • activeCount()：獲取group中活躍的執行緒，估計值
  • activeGroupCount()：獲取group中活躍的子group，也是一個近似值，會遞迴獲取所有的子group
  • getMaxPriority()：用於獲取group的優先順序，預設情況下，group的優先順序為10，且所有執行緒的優先順序不得大於執行緒所在group的優先順序
  • getName()：獲取group名字
  • getParent()：獲取父group，如果不存在返回null
  • list()：一個輸出方法，遞迴輸出所有活躍執行緒資訊到控制檯
  • parentOf(ThreadGroup g)：判斷當前group是不是給定group的父group，如果給定的group是自己本身，也會返回true
  • setMaxPriority(int pri)：指定group的最大優先順序，設定後也會改變所有子group的最大優先順序，另外，修改優先順序後會出現執行緒優先順序大於group優先順序的情況，比如執行緒優先順序為10，設定group優先順序為5後，執行緒優先順序就大於group優先順序，但是新加入的執行緒優先順序必須不能大於group優先順序
  • interrupt()：導致所有的活躍執行緒被中斷，遞迴呼叫執行緒的interrupt()
  • destroy()：如果沒有任何活躍執行緒，呼叫後在父group中將自己移除
  • setDaemon(boolean daemon)：設定為守護ThreadGroup後，如果該ThreadGroup沒有任何活躍執行緒，自動被銷燬