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java高并发系列 - 第1天:必须知道的几个概念

同步(Synchronous)和异步(Asynchronous)

同步和异步通常来形容一次方法调用,同步方法调用一旦开始,调用者必须等到方法调用返回后,才能继续后续的行为异步方法调用更像一个消息传递,一旦开始,方法调用就会立即返回,调用者就可以继续后续的操作。而异步方法通常会在另外一个线程中“真实”地执行。整个过程,不会阻碍调用者的工作。

如图:
file

上图中显示了同步方法调用和异步方法调用的区别。对于调用者来说,异步调用似乎是一瞬间就完成的。如果异步调用需要返回结果,那么当这个异步调用真实完成时,则会通知调用者。

打个比方,比如购物,如果你去商场买空调,当你到了商场看重了一款空调,你就向售货员下单。售货员去仓库帮你调配物品。这天你热的是在不行了,就催着商家赶紧给你送货,于是你就在商店里面候着他们,直到商家把你和空调一起送回家,一次愉快的购物就结束了。这就是同步调用。

不过,如果我们赶时髦,就坐在家里打开电脑,在电脑上订购了一台空调。当你完成网上支付的时候,对你来说购物过程已经结束了。虽然空调还没有送到家,但是你的任务已经完成了。商家接到你的订单后,就会加紧安平送货,当然这一切已经跟你无关了。你已经支付完成,想干什么就能去干什么,出去溜几圈都不成问题,等送货上门的时候,接到商家的电话,回家一趟签收就完事了。这就是异步调用。

并发(Concurrency)和并行(Parallelism)

并发和并行是两个非常容易被混淆的概念。他们都可以表示两个或者多个任务一起执行,但是侧重点有所不同。并发偏重于多个任务交替执行,而多个任务之间有可能还是串行的,而并行是真正意义上的“同时执行”,下图很好地诠释了这点。

file

大家排队在一个咖啡机上接咖啡,交替执行,是并发;两台咖啡机上面接咖啡,是并行。

从严格意义上来说,并行的多任务是真的同时执行,而对于并发来说,这个过程只是交替的,一会执行任务A,一会执行任务B,系统会不停地在两者之间切换。但对于外部观察者来说,即使多个任务之间是串行并发的,也会造成多任务间并行执行的错觉。

并发说的是在一个时间段内,多件事情在这个时间段内交替执行

并行说的是多件事情在同一个时刻同事发生。

实际上,如果系统内只有一个CPU,而使用多进程或者多线程任务,那么真实环境中这些任务不可能是真实并行的,毕竟一个CPU一次只能执行一条指令,在这种情况下多进程或者多线程就是并发的,而不是并行的(操作系统会不停地切换多任务)。真实的并行也只可能出现在拥有多个CPU的系统中(比如多核CPU)。

临界区

临界区用来表示一种公共资源或者说共享数据,可以被多个线程使用,但是每一次只能有一个线程使用它,一旦临界区资源被占用,其他线程要想使用这个资源就必须等待。

比如,一个办公室里有一台打印机,打印机一次只能执行一个任务。如果小王和小明同时需要打印文件,很明显,如果小王先发了打印任务,打印机就开始打印小王的文件,小明的任务就只能等待小王打印结束后才能打印,这里的打印机就是一个临界区的例子。

在并行程序中,临界区资源是保护的对象,如果意外出现打印机同时执行两个任务的情况,那么最有可能的结果就是打印出来的文件是损坏的文件,它既不是小王想要的,也不是小明想要的。

阻塞(Blocking)和非阻塞(Non-Blocking)

阻塞和非阻塞通常用来形容很多线程间的相互影响。比如一个线程占用了临界区资源,那么其他所有需要这个资源的线程就必须在这个临界区中等待。等待会导致线程挂起,这种情况就是阻塞。此时,如果占用资源的线程一直不愿意释放资源,那么其他线程阻塞在这个临界区上的线程都不能工作。

非阻塞的意思与之相反,它强调没有一个线程可以妨碍其他线程执行,所有的线程都会尝试不断向前执行。

死锁(Deadlock)、饥饿(Starvation)和活锁(Livelock)

死锁饥饿活锁都属于多线程的活跃性问题。如果发现上述几种情况,那么相关线程就不再活跃,也就是说它可能很难再继续往下执行了。

死锁应该是最糟糕的一种情况了(当然,其他几种情况也好不到哪里去),如下图显示了一个死锁的发生:

file

A、B、C、D四辆小车都在这种情况下都无法继续行驶了。他们彼此之间相互占用了其他车辆的车道,如果大家都不愿意释放自己的车道,那么这个状况将永远持续下去,谁都不可能通过,死锁是一个很严重的并且应该避免和实时小心的问题,后面的文章中会做更详细的讨论。

饥饿是指某一个或者多个线程因为种种原因无法获得所要的资源,导致一直无法执行。比如它的优先级可能太低,而高优先级的线程不断抢占它需要的资源,导致低优先级线程无法工作。在自然界中,母鸡给雏鸟喂食很容易出现这种情况:由于雏鸟很多,食物有限,雏鸟之间的事务竞争可能非常厉害,经常抢不到事务的雏鸟有可能被饿死。线程的饥饿非常类似这种情况。此外,某一个线程一直占着关键资源不放,导致其他需要这个资源的线程无法正常执行,这种情况也是饥饿的一种。于死锁想必,饥饿还是有可能在未来一段时间内解决的(比如,高优先级的线程已经完成任务,不再疯狂执行)。

活锁是一种非常有趣的情况。不知道大家是否遇到过这么一种场景,当你要做电梯下楼时,电梯到了,门开了,这是你正准备出去。但很不巧的是,门外一个人当着你的去路,他想进来。于是,你很礼貌地靠左走,礼让对方。同时,对方也非常礼貌的靠右走,希望礼让你。结果,你们俩就又撞上了。于是乎,你们都意识到了问题,希望尽快避让对方,你立即向右边走,同时,他立即向左边走。结果,又撞上了!不过介于人类的智慧,我相信这个动作重复两三次后,你应该可以顺利解决这个问题。因为这个时候,大家都会本能地对视,进行交流,保证这种情况不再发生。但如果这种情况发生在两个线程之间可能就不那么幸运了。如果线程智力不够。且都秉承着“谦让”的原则,主动将资源释放给他人使用,那么久会导致资源不断地在两个线程间跳动,而没有一个线程可以同时拿到所有资源正常执行。这种情况就是活锁。

死锁的例子

package com.jvm.visualvm;

/**
 * <a href="http://www.itsoku.com/archives">Java干货铺子,只生产干货,公众号:javacode2018</a>
 */
public class Demo4 {

    public static void main(String[] args) {
        Obj1 obj1 = new Obj1();
        Obj2 obj2 = new Obj2();
        Thread thread1 = new Thread(new SynAddRunalbe(obj1, obj2, 1, 2, true));
        thread1.setName("thread1");
        thread1.start();
        Thread thread2 = new Thread(new SynAddRunalbe(obj1, obj2, 2, 1, false));
        thread2.setName("thread2");
        thread2.start();
    }

    /**
     * 线程死锁等待演示
     */
    public static class SynAddRunalbe implements Runnable {
        Obj1 obj1;
        Obj2 obj2;
        int a, b;
        boolean flag;

        public SynAddRunalbe(Obj1 obj1, Obj2 obj2, int a, int b, boolean flag) {
            this.obj1 = obj1;
            this.obj2 = obj2;
            this.a = a;
            this.b = b;
            this.flag = flag;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                if (flag) {
                    synchronized (obj1) {
                        Thread.sleep(100);
                        synchronized (obj2) {
                            System.out.println(a + b);
                        }
                    }
                } else {
                    synchronized (obj2) {
                        Thread.sleep(100);
                        synchronized (obj1) {
                            System.out.println(a + b);
                        }
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static class Obj1 {
    }

    public static class Obj2 {
    }
}

运行上面代码,可以通过jstack查看到死锁信息:

"thread2" #13 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000029225000 nid=0x3c94 waiting for monitor entry [0x0000000029c9f000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
    at com.jvm.visualvm.Demo4$SynAddRunalbe.run(Demo4.java:50)
    - waiting to lock <0x00000007173d40f0> (a com.jvm.visualvm.Demo4$Obj1)
    - locked <0x00000007173d6310> (a com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

   Locked ownable synchronizers:
    - None

"thread1" #12 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000029224800 nid=0x6874 waiting for monitor entry [0x0000000029b9f000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
    at com.jvm.visualvm.Demo4$SynAddRunalbe.run(Demo4.java:43)
    - waiting to lock <0x00000007173d6310> (a com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2)
    - locked <0x00000007173d40f0> (a com.jvm.visualvm.Demo4$Obj1)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

   Locked ownable synchronizers:
    - None

thread1持有com.jvm.visualvm.Demo4$Obj1的锁,等待获取com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2的锁
thread2持有com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2的锁,等待获取com.jvm.visualvm.Demo4$Obj1的锁,两个线程相互等待获取对方持有的锁,出现死锁。

饥饿死锁的例子

package com.jvm.jconsole;

import java.util.concurrent.*;

/**
 * <a href="http://www.itsoku.com/archives">Java干货铺子,只生产干货,公众号:javacode2018</a>
 */
public class ExecutorLock {
    private static ExecutorService single = Executors.newSingleThreadExecutor();

    public static class AnotherCallable implements Callable<String> {
        @Override
        public String call() throws Exception {
            System.out.println("in AnotherCallable");
            return "annother success";
        }
    }


    public static class MyCallable implements Callable<String> {
        @Override
        public String call() throws Exception {
            System.out.println("in MyCallable");
            Future<String> submit = single.submit(new AnotherCallable());
            return "success:" + submit.get();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        MyCallable task = new MyCallable();
        Future<String> submit = single.submit(task);
        System.out.println(submit.get());
        System.out.println("over");
        single.shutdown();
    }
}

执行代码,输出:

in MyCallable

使用jstack命令查看线程堆栈信息:

"pool-1-thread-1" #12 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000028e3d000 nid=0x58a4 waiting on condition [0x00000000297ff000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
    at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
    - parking to wait for  <0x0000000717921bf0> (a java.util.concurrent.FutureTask)
    at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:175)
    at java.util.concurrent.FutureTask.awaitDone(FutureTask.java:429)
    at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:191)
    at com.jvm.jconsole.ExecutorLock$MyCallable.call(ExecutorLock.java:25)
    at com.jvm.jconsole.ExecutorLock$MyCallable.call(ExecutorLock.java:20)
    at java.util.concurrent.FutureTask.run(FutureTask.java:266)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1142)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:617)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

   Locked ownable synchronizers:
    - <0x00000007173f2690> (a java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker)

"main" #1 prio=5 os_prio=0 tid=0x00000000033e4000 nid=0x5f94 waiting on condition [0x00000000031fe000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
    at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
    - parking to wait for  <0x00000007173f1d48> (a java.util.concurrent.FutureTask)
    at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:175)
    at java.util.concurrent.FutureTask.awaitDone(FutureTask.java:429)
    at java.util.concurrent.FutureTask.get(FutureTask.java:191)
    at com.jvm.jconsole.ExecutorLock.main(ExecutorLock.java:32)

   Locked ownable synchronizers:
    - None

file

堆栈信息结合图中的代码,可以看出主线程在32行处于等待中,线程池中的工作线程在25行处于等待中,等待获取结果。由于线程池是一个线程,AnotherCallable得不到执行,而被饿死,最终导致了程序死锁的现象。

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