diff --git a/ch4.md b/ch4.md index bf6bc76fe386d6d4f6675fc56e39066d3b7b6a80..8435a11415409a7fdd3d077e9cf7bda3ca554963 100644 --- a/ch4.md +++ b/ch4.md @@ -8,12 +8,13 @@ 欢迎阅读我的Java8并发教程的第一部分。这份指南将会以简单易懂的代码示例来教给你如何在Java8中进行并发编程。这是一系列教程中的第一部分。在接下来的15分钟，你将会学会如何通过线程，任务（tasks）和 exector services来并行执行代码。 -- 第一部分：Threads和Executors -- 第二部分：同步和锁 ++ 第一部分：[线程和执行器](ch4.md) ++ 第二部分：[同步和锁](ch5.md) ++ 第三部分：[原子操作和 ConcurrentMap](ch6.md) 并发在Java5中首次被引入并在后续的版本中不断得到增强。在这篇文章中介绍的大部分概念同样适用于以前的Java版本。不过我的代码示例聚焦于Java8，大量使用lambda表达式和其他新特性。如果你对lambda表达式不属性，我推荐你首先阅读我的[Java 8 教程](http://winterbe.com/posts/2014/03/16/java-8-tutorial/)。 -## Threads 和 Runnables +## `Thread` 和 `Runnable` 所有的现代操作系统都通过进程和线程来支持并发。进程是通常彼此独立运行的程序的实例，比如，如果你启动了一个Java程序，操作系统产生一个新的进程，与其他程序一起并行执行。在这些进程的内部，我们使用线程并发执行代码，因此，我们可以最大限度的利用CPU可用的核心（core）。 @@ -78,7 +79,7 @@ thread.start(); 接下来，让我们走进并发API中最重要的一部——executor services。 -## Executors +## `Executor` 并发API引入了`ExecutorService`作为一个在程序中直接使用Thread的高层次的替换方案。Executos支持运行异步任务，通常管理一个线程池，这样一来我们就不需要手动去创建新的线程。在不断地处理任务的过程中，线程池内部线程将会得到复用，因此，在我们可以使用一个executor service来运行和我们想在我们整个程序中执行的一样多的并发任务。 @@ -122,7 +123,7 @@ finally { executor通过等待指定的时间让当前执行的任务终止来“温柔的”关闭executor。在等待最长5分钟的时间后，execuote最终会通过中断所有的正在执行的任务关闭。 -### Callables 和 Futures +### `Callable` 和 `Future` 除了`Runnable`，executor还支持另一种类型的任务——`Callable`。Callables也是类似于runnables的函数接口，不同之处在于，Callable返回一个值。 @@ -174,7 +175,7 @@ future.get(); 你可能注意到我们这次创建executor的方式与上一个例子稍有不同。我们使用`newFixedThreadPool(1)`来创建一个单线程线程池的 execuot service。 这等同于使用`newSingleThreadExecutor`不过使用第二种方式我们可以稍后通过简单的传入一个比1大的值来增加线程池的大小。 -### Timeouts +### 超时 任何`future.get()`调用都会阻塞，然后等待直到callable中止。在最糟糕的情况下，一个callable持续运行——因此使你的程序将没有响应。我们可以简单的传入一个时长来避免这种情况。 @@ -203,7 +204,7 @@ Exception in thread "main" java.util.concurrent.TimeoutException 你可能已经猜到俄为什么会排除这个异常。我们指定的最长等待时间为1分钟，而这个callable在返回结果之前实际需要两分钟。 -### invokeAll +### `invokeAll` Executors支持通过`invokeAll()`一次批量提交多个callable。这个方法结果一个callable的集合，然后返回一个future的列表。 @@ -230,7 +231,7 @@ executor.invokeAll(callables) 在这个例子中，我们利用Java8中的函数流（stream）来处理`invokeAll()`调用返回的所有future。我们首先将每一个future映射到它的返回值，然后将每个值打印到控制台。如果你还不属性stream，可以阅读我的[Java8 Stream 教程](http://winterbe.com/posts/2014/07/31/java8-stream-tutorial-examples/)。 -### invokeAny +### `invokeAny` 批量提交callable的另一种方式就是`invokeAny()`，它的工作方式与`invokeAll()`稍有不同。在等待future对象的过程中，这个方法将会阻塞直到第一个callable中止然后返回这一个callable的结果。 @@ -265,7 +266,7 @@ System.out.println(result); ForkJoinPools 在Java7时引入，将会在这个系列后面的教程中详细讲解。让我们深入了解一下 scheduled executors 来结束本次教程。 -## Scheduled Executors +## `ScheduledExecutor` 我们已经学习了如何在一个 executor 中提交和运行一次任务。为了持续的多次执行常见的任务，我们可以利用调度线程池。 @@ -325,6 +326,9 @@ executor.scheduleWithFixedDelay(task, 0, 1, TimeUnit.SECONDS); 这是并发系列教程的第一部分。我推荐你亲手实践一下上面的代码示例。你可以从 [Github](https://github.com/winterbe/java8-tutorial) 上找到这篇文章中所有的代码示例，所以欢迎你fork这个仓库，并[收藏它](https://github.com/winterbe/java8-tutorial/stargazers)。 -我希望你会喜欢这篇文章。如果你有任何的问题都可以在下面评论或者通过 [Twitter](https://twitter.com/winterbe_) 给我回复。 +我希望你会喜欢这篇文章。如果你有任何的问题都可以在下面评论或者通过 [Twitter](https://twitter.com/winterbe_) 向我反馈。 ++ 第一部分：[线程和执行器](ch4.md) ++ 第二部分：[同步和锁](ch5.md) ++ 第三部分：[原子操作和 ConcurrentMap](ch6.md) diff --git a/ch5.md b/ch5.md new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..1209b99d5e704a421a107d3bc6f75d1a1a37d123 --- /dev/null +++ b/ch5.md @@ -0,0 +1,365 @@ +# Java 8 并发教程：同步和锁 + +> 原文：[Java 8 Concurrency Tutorial: Synchronization and Locks](http://winterbe.com/posts/2015/04/30/java8-concurrency-tutorial-synchronized-locks-examples/) + +> 译者：[飞龙](https://github.com/wizardforcel) + +> 协议：[CC BY-NC-SA 4.0](http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/) + +欢迎阅读我的Java8并发教程的第二部分。这份指南将会以简单易懂的代码示例来教给你如何在Java8中进行并发编程。这是一系列教程中的第二部分。在接下来的15分钟，你将会学会如何通过同步关键字，锁和信号量来同步访问共享可变变量。 + ++ 第一部分：[线程和执行器](ch4.md) ++ 第二部分：[同步和锁](ch5.md) ++ 第三部分：[原子操作和 ConcurrentMap](ch6.md) + +这篇文章中展示的中心概念也适用于Java的旧版本，然而代码示例适用于Java 8，并严重依赖于lambda表达式和新的并发特性。如果你还不熟悉lambda，我推荐你先阅读我的[Java 8 教程](ch1.md)。 + +出于简单的因素，这个教程的代码示例使用了定义在[这里](https://github.com/winterbe/java8-tutorial/blob/master/src/com/winterbe/java8/samples/concurrent/ConcurrentUtils.java)的两个辅助函数`sleep(seconds)` 和 `stop(executor)`。 + +## 同步 + +在[上一章](ch4.md)中，我们学到了如何通过执行器服务同时执行代码。当我们编写这种多线程代码时，我们需要特别注意共享可变变量的并发访问。假设我们打算增加某个可被多个线程同时访问的整数。 + +我们定义了`count`字段，带有`increment()`方法来使`count`加一： + +```java +int count = 0; + +void increment() { + count = count + 1; +} +``` + +当多个线程并发调用这个方法时，我们就会遇到大麻烦： + +```java +ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); + +IntStream.range(0, 10000) + .forEach(i -> executor.submit(this::increment)); + +stop(executor); + +System.out.println(count); // 9965 +``` + +我们没有看到`count`为10000的结果，上面代码的实际结果在每次执行时都不同。原因是我们在不同的线程上共享可变变量，并且变量访问没有同步机制，这会产生[竞争条件](http://en.wikipedia.org/wiki/Race_condition)。 + +增加一个数值需要三个步骤：（1）读取当前值，（2）使这个值加一，（3）将新的值写到变量。如果两个线程同时执行，就有可能出现两个线程同时执行步骤1，于是会读到相同的当前值。这会导致无效的写入，所以实际的结果会偏小。上面的例子中，对`count`的非同步并发访问丢失了35次增加操作，但是你在自己执行代码时会看到不同的结果。 + +幸运的是，Java自从很久之前就通过`synchronized`关键字支持线程同步。我们可以使用`synchronized`来修复上面在增加`count`时的竞争条件。 + +```java +synchronized void incrementSync() { + count = count + 1; +} +``` + +在我们并发调用`incrementSync()`时，我们得到了`count`为10000的预期结果。没有再出现任何竞争条件，并且结果在每次代码执行中都很稳定： + +```java +ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); + +IntStream.range(0, 10000) + .forEach(i -> executor.submit(this::incrementSync)); + +stop(executor); + +System.out.println(count); // 10000 +``` + +`synchronized`关键字也可用于语句块： + +```java +void incrementSync() { + synchronized (this) { + count = count + 1; + } +} +``` + +Java在内部使用所谓的“监视器”（monitor），也称为监视器锁（monitor lock）或内在锁（ intrinsic lock）来管理同步。监视器绑定在对象上，例如，当使用同步方法时，每个方法都共享相应对象的相同监视器。 + +所有隐式的监视器都实现了重入（reentrant）特性。重入的意思是锁绑定在当前线程上。线程可以安全地多次获取相同的锁，而不会产生死锁（例如，同步方法调用相同对象的另一个同步方法）。 + +## 锁 + +并发API支持多种显式的锁，它们由`Lock`接口规定，用于代替`synchronized`的隐式锁。锁对细粒度的控制支持多种方法，因此它们比隐式的监视器具有更大的开销。 + +锁的多个实现在标准JDK中提供，它们会在下面的章节中展示。 + +### `ReentrantLock` + +`ReentrantLock`类是互斥锁，与通过`synchronized`访问的隐式监视器具有相同行为，但是具有扩展功能。就像它的名称一样，这个锁实现了重入特性，就像隐式监视器一样。 + +让我们看看使用`ReentrantLock`之后的上面的例子。 + +```java +ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); +int count = 0; + +void increment() { + lock.lock(); + try { + count++; + } finally { + lock.unlock(); + } +} +``` + +锁可以通过`lock()`来获取，通过`unlock()`来释放。把你的代码包装在`try-finally`代码块中来确保异常情况下的解锁非常重要。这个方法是线程安全的，就像同步副本那样。如果另一个线程已经拿到锁了，再次调用`lock()`会阻塞当前线程，直到锁被释放。在任意给定的时间内，只有一个线程可以拿到锁。 + +锁对细粒度的控制支持多种方法，就像下面的例子那样： + +```java +executor.submit(() -> { + lock.lock(); + try { + sleep(1); + } finally { + lock.unlock(); + } +}); + +executor.submit(() -> { + System.out.println("Locked: " + lock.isLocked()); + System.out.println("Held by me: " + lock.isHeldByCurrentThread()); + boolean locked = lock.tryLock(); + System.out.println("Lock acquired: " + locked); +}); + +stop(executor); +``` + +在第一个任务拿到锁的一秒之后，第二个任务获得了锁的当前状态的不同信息。 + +``` +Locked: true +Held by me: false +Lock acquired: false +``` + +`tryLock()`方法是`lock()`方法的替代，它尝试拿锁而不阻塞当前线程。在访问任何共享可变变量之前，必须使用布尔值结果来检查锁是否已经被获取。 + +### `ReadWriteLock` + +`ReadWriteLock`接口规定了锁的另一种类型，包含用于读写访问的一对锁。读写锁的理念是，只要没有任何线程写入变量，并发读取可变变量通常是安全的。所以读锁可以同时被多个线程持有，只要没有线程持有写锁。这样可以提升性能和吞吐量，因为读取比写入更加频繁。 + +```java +ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); +Map map = new HashMap<>(); +ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(); + +executor.submit(() -> { + lock.writeLock().lock(); + try { + sleep(1); + map.put("foo", "bar"); + } finally { + lock.writeLock().unlock(); + } +}); +``` + +上面的例子在暂停一秒之后，首先获取写锁来向映射添加新的值。在这个任务完成之前，两个其它的任务被启动，尝试读取映射中的元素，并暂停一秒： + +```java +Runnable readTask = () -> { + lock.readLock().lock(); + try { + System.out.println(map.get("foo")); + sleep(1); + } finally { + lock.readLock().unlock(); + } +}; + +executor.submit(readTask); +executor.submit(readTask); + +stop(executor); +``` + +当你执行这一代码示例时，你会注意到两个读任务需要等待写任务完成。在释放了写锁之后，两个读任务会同时执行，并同时打印结果。它们不需要相互等待完成，因为读锁可以安全同步获取，只要没有其它线程获取了写锁。 + +### `StampedLock` + +Java 8 自带了一种新的锁，叫做`StampedLock`，它同样支持读写锁，就像上面的例子那样。与`ReadWriteLock`不同的是，`StampedLock`的锁方法会返回表示为`long`的标记。你可以使用这些标记来释放锁，或者检查锁是否有效。此外，`StampedLock`支持另一种叫做乐观锁（optimistic locking）的模式。 + +让我们使用`StampedLock`代替`ReadWriteLock`重写上面的例子： + +```java +ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); +Map map = new HashMap<>(); +StampedLock lock = new StampedLock(); + +executor.submit(() -> { + long stamp = lock.writeLock(); + try { + sleep(1); + map.put("foo", "bar"); + } finally { + lock.unlockWrite(stamp); + } +}); + +Runnable readTask = () -> { + long stamp = lock.readLock(); + try { + System.out.println(map.get("foo")); + sleep(1); + } finally { + lock.unlockRead(stamp); + } +}; + +executor.submit(readTask); +executor.submit(readTask); + +stop(executor); +``` + +通过`readLock()` 或 `writeLock()`来获取读锁或写锁会返回一个标记，它可以在稍后用于在`finally`块中解锁。要记住`StampedLock`并没有实现重入特性。每次调用加锁都会返回一个新的标记，并且在没有可用的锁时阻塞，即使相同线程已经拿锁了。所以你需要额外注意不要出现死锁。 + +就像前面的`ReadWriteLock`例子那样，两个读任务都需要等待写锁释放。之后两个读任务同时向控制台打印信息，因为多个读操作不会相互阻塞，只要没有线程拿到写锁。 + +下面的例子展示了乐观锁： + +```java +ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); +StampedLock lock = new StampedLock(); + +executor.submit(() -> { + long stamp = lock.tryOptimisticRead(); + try { + System.out.println("Optimistic Lock Valid: " + lock.validate(stamp)); + sleep(1); + System.out.println("Optimistic Lock Valid: " + lock.validate(stamp)); + sleep(2); + System.out.println("Optimistic Lock Valid: " + lock.validate(stamp)); + } finally { + lock.unlock(stamp); + } +}); + +executor.submit(() -> { + long stamp = lock.writeLock(); + try { + System.out.println("Write Lock acquired"); + sleep(2); + } finally { + lock.unlock(stamp); + System.out.println("Write done"); + } +}); + +stop(executor); +``` + +乐观的读锁通过调用`tryOptimisticRead()`获取，它总是返回一个标记而不阻塞当前线程，无论锁是否真正可用。如果已经有写锁被拿到，返回的标记等于0。你需要总是通过`lock.validate(stamp)`检查标记是否有效。 + +执行上面的代码会产生以下输出： + +``` +Optimistic Lock Valid: true +Write Lock acquired +Optimistic Lock Valid: false +Write done +Optimistic Lock Valid: false +``` + +乐观锁在刚刚拿到锁之后是有效的。和普通的读锁不同的是，乐观锁不阻止其他线程同时获取写锁。在第一个线程暂停一秒之后，第二个线程拿到写锁而无需等待乐观的读锁被释放。此时，乐观的读锁就不再有效了。甚至当写锁释放时，乐观的读锁还处于无效状态。 + +所以在使用乐观锁时，你需要每次在访问任何共享可变变量之后都要检查锁，来确保读锁仍然有效。 + +有时，将读锁转换为写锁而不用再次解锁和加锁十分实用。`StampedLock`为这种目的提供了`tryConvertToWriteLock()`方法，就像下面那样： + +```java +ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2); +StampedLock lock = new StampedLock(); + +executor.submit(() -> { + long stamp = lock.readLock(); + try { + if (count == 0) { + stamp = lock.tryConvertToWriteLock(stamp); + if (stamp == 0L) { + System.out.println("Could not convert to write lock"); + stamp = lock.writeLock(); + } + count = 23; + } + System.out.println(count); + } finally { + lock.unlock(stamp); + } +}); + +stop(executor); +``` + +第一个任务获取读锁，并向控制台打印`count`字段的当前值。但是如果当前值是零，我们希望将其赋值为`23`。我们首先需要将读锁转换为写锁，来避免打破其它线程潜在的并发访问。`tryConvertToWriteLock()`的调用不会阻塞，但是可能会返回为零的标记，表示当前没有可用的写锁。这种情况下，我们调用`writeLock()`来阻塞当前线程，直到有可用的写锁。 + +## 信号量 + +除了锁之外，并发API也支持计数的信号量。不过锁通常用于变量或资源的互斥访问，信号量可以维护整体的准入许可。这在一些不同场景下，例如你需要限制你程序某个部分的并发访问总数时非常实用。 + +下面是一个例子，演示了如何限制对通过`sleep(5)`模拟的长时间运行任务的访问： + +```java +ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10); + +Semaphore semaphore = new Semaphore(5); + +Runnable longRunningTask = () -> { + boolean permit = false; + try { + permit = semaphore.tryAcquire(1, TimeUnit.SECONDS); + if (permit) { + System.out.println("Semaphore acquired"); + sleep(5); + } else { + System.out.println("Could not acquire semaphore"); + } + } catch (InterruptedException e) { + throw new IllegalStateException(e); + } finally { + if (permit) { + semaphore.release(); + } + } +} + +IntStream.range(0, 10) + .forEach(i -> executor.submit(longRunningTask)); + +stop(executor); +``` + +执行器可能同时运行10个任务，但是我们使用了大小为5的信号量，所以将并发访问限制为5。使用`try-finally`代码块在异常情况中合理释放信号量十分重要。 + +执行上述代码产生如下结果： + +``` +Semaphore acquired +Semaphore acquired +Semaphore acquired +Semaphore acquired +Semaphore acquired +Could not acquire semaphore +Could not acquire semaphore +Could not acquire semaphore +Could not acquire semaphore +Could not acquire semaphore +``` + +信号量限制对通过`sleep(5)`模拟的长时间运行任务的访问，最大5个线程。每个随后的`tryAcquire()`调用在经过最大为一秒的等待超时之后，会向控制台打印不能获取信号量的结果。 + +这就是我的系列并发教程的第二部分。以后会放出更多的部分，所以敬请等待吧。像以前一样，你可以在[Github](https://github.com/winterbe/java8-tutorial)上找到这篇文档的所有示例代码，所以请随意fork这个仓库，并自己尝试它。 + +我希望你能喜欢这篇文章。如果你还有任何问题，在下面的评论中向我反馈。你也可以[在Twitter上关注我](https://twitter.com/winterbe_)来获取更多开发相关的信息。 + ++ 第一部分：[线程和执行器](ch4.md) ++ 第二部分：[同步和锁](ch5.md) ++ 第三部分：[原子操作和 ConcurrentMap](ch6.md)