java并发问题概述

2024-07-13 10:15:25

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供稿：网友

1什么是并发问题。

多个进程或线程同时(或着说在同一段时间内)访问同一资源会产生并发问题。

银行两操作员同时操作同一账户就是典型的例子。比如A、B操作员同时读取一余额为1000元的账户，A操作员为该账户增加100元，B操作员同时为该账户减去50元，A先提交，B后提交。最后实际账户余额为1000-50=950元，但本该为1000+100-50=1050。这就是典型的并发问题。如何解决？可以用锁。

2java中synchronized的用法

用法1

public class Test{	public synchronized void print(){		….;	}}

某线程执行print()方法，则该对象将加锁。其它线程将无法执行该对象的所有synchronized块。

用法2

public class Test{	public void print(){		synchronized(this){			//锁住本对象 			…;		}	}}

同用法1, 但更能体现synchronized用法的本质。

用法3

public class Test{	private String a = “test”;	public void print(){		synchronized(a){			//锁住a对象 			…;		}	}	public synchronized void t(){		…;		//这个同步代码块不会因为print()而锁定.	}}

执行print()，会给对象a加锁，注意不是给Test的对象加锁，也就是说Test对象的其它synchronized方法不会因为print()而被锁。同步代码块执行完，则释放对a的锁。

为了锁住一个对象的代码块而不影响该对象其它synchronized块的高性能写法：

public class Test{	private byte[] lock = new byte[0];	public void print(){		synchronized(lock){			…;		}	}	public synchronized void t(){		…;	}}

静态方法的锁

public class Test{	public synchronized static void execute(){		…;	}}

效果同

public class Test{	public static void execute(){		synchronized(TestThread.class){			…;		}	}}

3 Java中的锁与排队上厕所。

锁就是阻止其它进程或线程进行资源访问的一种方式，即锁住的资源不能被其它请求访问。在JAVA中，sychronized关键字用来对一个对象加锁。比如:

public class MyStack {	int idx = 0;	char [] data = new char[6];	public synchronized void push(char c) {		data[idx] = c;		idx++;	}	public synchronized char pop() {		idx--;		return data[idx];	}	public static void main(String args[]){		MyStack m = new MyStack();		/**    下面对象m被加锁。严格的说是对象m的所有synchronized块被加锁。    如果存在另一个试图访问m的线程T，那么T无法执行m对象的push和    pop方法。  */		m.pop();		//对象m被加锁。	}}

Java的加锁解锁跟多个人排队等一个公共厕位完全一样。第一个人进去后顺手把门从里面锁住，其它人只好排队等。第一个人结束后出来时，门才会打开（解锁）。轮到第二个人进去，同样他又会把门从里面锁住，其它人继续排队等待。

用厕所理论可以很容易明白:一个人进了一个厕位，这个厕位就会锁住，但不会导致另一个厕位也被锁住，因为一个人不能同时蹲在两个厕位里。对于Java就是说：Java中的锁是针对同一个对象的，不是针对class的。看下例：

MyStatckm1=newMyStack();MyStatckm2=newMystatck();m1.pop();m2.pop();

m1对象的锁是不会影响m2的锁的，因为它们不是同一个厕位。就是说，假设有3线程t1,t2,t3操作m1，那么这3个线程只可能在m1上排队等，假设另2个线程t8,t9在操作m2，那么t8,t9只会在m2上等待。而t2和t8则没有关系，即使m2上的锁释放了，t1,t2,t3可能仍要在m1上排队。原因无它，不是同一个厕位耳。

Java不能同时对一个代码块加两个锁，这和数据库锁机制不同，数据库可以对一条记录同时加好几种不同的锁。

4何时释放锁？

一般是执行完毕同步代码块（锁住的代码块）后就释放锁，也可以用wait()方式半路上释放锁。wait()方式就好比蹲厕所到一半，突然发现下水道堵住了，不得已必须出来站在一边，好让修下水道师傅(准备执行notify的一个线程）进去疏通马桶，疏通完毕，师傅大喊一声:“已经修好了”(notify)，刚才出来的同志听到后就重新排队。注意啊，必须等师傅出来啊，师傅不出来，谁也进不去。也就是说notify后，不是其它线程马上可以进入封锁区域活动了，而是必须还要等notify代码所在的封锁区域执行完毕从而释放锁以后，其它线程才可进入。

这里是wait与notify代码示例：

public synchronized char pop() {	char c;	while (buffer.size() == 0) {		try {			this.wait();			//从厕位里出来		}		catch (InterruptedException e) {			// ignore it…		}	}	c = ((Character)buffer.remove(buffer.size()-1)). 	charValue();	return c;}public synchronized void push(char c) {	this.notify();	//通知那些wait()的线程重新排队。注意：仅仅是通知它们重新排队。 	Character charObj = new Character(c);	buffer.addElement(charObj);}//执行完毕，释放锁。那些排队的线程就可以进来了。

再深入一些。

由于wait()操作而半路出来的同志没收到notify信号前是不会再排队的，他会在旁边看着这些排队的人(其中修水管师傅也在其中）。注意，修水管的师傅不能插队，也得跟那些上厕所的人一样排队，不是说一个人蹲了一半出来后，修水管师傅就可以突然冒出来然后立刻进去抢修了，他要和原来排队的那帮人公平竞争，因为他也是个普通线程。如果修水管师傅排在后面，则前面的人进去后，发现堵了，就wait，然后出来站到一边，再进去一个，再wait，出来，站到一边，只到师傅进去执行notify.这样，一会儿功夫，排队的旁边就站了一堆人，等着notify.

终于，师傅进去，然后notify了，接下来呢？

1.有一个wait的人（线程）被通知到。

2.为什么被通知到的是他而不是另外一个wait的人？取决于JVM.我们无法预先

判断出哪一个会被通知到。也就是说，优先级高的不一定被优先唤醒，等待

时间长的也不一定被优先唤醒，一切不可预知！(当然，如果你了解该JVM的

实现，则可以预知）。

3.他（被通知到的线程）要重新排队。

4.他会排在队伍的第一个位置吗？回答是：不一定。他会排最后吗？也不一定。

但如果该线程优先级设的比较高，那么他排在前面的概率就比较大。

5.轮到他重新进入厕位时，他会从上次wait()的地方接着执行，不会重新执行。

恶心点说就是，他会接着拉巴巴，不会重新拉。

6.如果师傅notifyAll().则那一堆半途而废出来的人全部重新排队。顺序不可知。

JavaDOC上说，Theawakenedthreadswillnotbeabletoproceeduntilthecurrentthreadrelinquishesthelockonthisobject(当前线程释放锁前，唤醒的线程不能去执行）。

这用厕位理论解释就是显而易见的事。

5Lock的使用

用synchronized关键字可以对资源加锁。用Lock关键字也可以。它是JDK1.5中新增内容。用法如下：

class BoundedBuffer {	final Lock lock = new ReentrantLock();	final Condition notFull = lock.newCondition();	final Condition notEmpty = lock.newCondition();	final Object[] items = new Object[100];	int putptr, takeptr, count;	public void put(Object x) throws InterruptedException {		lock.lock();		try {			while (count == items.length) 			      notFull.await();			items[putptr] = x;			if (++putptr == items.length) putptr = 0;			++count;			notEmpty.signal();		}		finally {			lock.unlock();		}	}	public Object take() throws InterruptedException {		lock.lock();		try {			while (count == 0) 			      notEmpty.await();			Object x = items[takeptr];			if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;			--count;			notFull.signal();			return x;		}		finally {			lock.unlock();		}	}}

(注：这是JavaDoc里的例子，是一个阻塞队列的实现例子。所谓阻塞队列，就是一个队列如果满了或者空了，都会导致线程阻塞等待。Java里的ArrayBlockingQueue提供了现成的阻塞队列，不需要自己专门再写一个了。)

一个对象的lock.lock()和lock.unlock()之间的代码将会被锁住。这种方式比起synchronize好在什么地方？简而言之，就是对wait的线程进行了分类。用厕位理论来描述，则是那些蹲了一半而从厕位里出来等待的人原因可能不一样，有的是因为马桶堵了，有的是因为马桶没水了。通知(notify)的时候，就可以喊：因为马桶堵了而等待的过来重新排队（比如马桶堵塞问题被解决了），或者喊，因为马桶没水而等待的过来重新排队(比如马桶没水问题被解决了）。这样可以控制得更精细一些。不像synchronize里的wait和notify，不管是马桶堵塞还是马桶没水都只能喊：刚才等待的过来排队！假如排队的人进来一看，发现原来只是马桶堵塞问题解决了，而自己渴望解决的问题（马桶没水）还没解决，只好再回去等待(wait)，白进来转一圈，浪费时间与资源。

Lock方式与synchronized对应关系：

LockawaitsignalsignalAll

synchronizedwaitnotifynotifyAll

注意：不要在Lock方式锁住的块里调用wait、notify、notifyAll

6利用管道进行线程间通信

原理简单。两个线程，一个操作PipedInputStream,一个操作PipedOutputStream。PipedOutputStream写入的数据先缓存在Buffer中,如果Buffer满，此线程wait。PipedInputStream读出Buffer中的数据，如果Buffer没数据，此线程wait。

jdk1.5中的阻塞队列可实现同样功能。

package io;import java.io.*;public class PipedStreamTest {	public static void main(String[] args) {		PipedOutputStream ops=new PipedOutputStream();		PipedInputStream pis=new PipedInputStream();		try{			ops.connect(pis);			//实现管道连接 			new Producer(ops).run();			new Consumer(pis).run();		}		catch(Exception e){			e.printStackTrace();		}	}}//生产者 class Producer implements Runnable{	private PipedOutputStream ops;	public Producer(PipedOutputStream ops) 	{		this.ops=ops;	}	public void run()	{		try{			ops.write("hell,spell".getBytes());			ops.close();		}		catch(Exception e)		    {			e.printStackTrace();		}	}}//消费者 class Consumer implements Runnable{	private PipedInputStream pis;	public Consumer(PipedInputStream pis) 	{		this.pis=pis;	}	public void run()	{		try{			byte[] bu=new byte[100];			int len=pis.read(bu);			System.out.println(new String(bu,0,len));			pis.close();		}		catch(Exception e)		    {			e.printStackTrace();		}	}}

例2 对上面的程序做少许改动就成了两个线程。

package io;import java.io.*;public class PipedStreamTest {	public static void main(String[] args) {		PipedOutputStream ops=new PipedOutputStream();		PipedInputStream pis=new PipedInputStream();		try{			ops.connect(pis);			//实现管道连接 			Producer p = new Producer(ops);			new Thread(p).start();			Consumer c = new Consumer(pis);			new Thread(c).start();		}		catch(Exception e){			e.printStackTrace();		}	}}//生产者 class Producer implements Runnable{	private PipedOutputStream ops;	public Producer(PipedOutputStream ops) 	{		this.ops=ops;	}	public void run()	{		try{			for (;;){				ops.write("hell,spell".getBytes());				ops.close();			}		}		catch(Exception e)		    {			e.printStackTrace();		}	}}//消费者 class Consumer implements Runnable{	private PipedInputStream pis;	public Consumer(PipedInputStream pis) 	{		this.pis=pis;	}	public void run()	{		try{			for (;;){				byte[] bu=new byte[100];				int len=pis.read(bu);				System.out.println(new String(bu,0,len));			}			pis.close();		}		catch(Exception e)		    {			e.printStackTrace();		}	}}

例3. 这个例子更加贴进应用

import java.io.*;public class PipedIO {	//程序运行后将sendFile文件的内容拷贝到receiverFile文件中 	public static void main(String args[]){		try{			//构造读写的管道流对象 			PipedInputStream pis=new PipedInputStream();			PipedOutputStream pos=new PipedOutputStream();			//实现关联 			pos.connect(pis);			//构造两个线程，并且启动。 			new Sender(pos,”c:/text2.txt”).start();			new Receiver(pis,”c:/text3.txt”).start();		}		catch(IOException e){			System.out.println(“Pipe Error”+ e);		}	}}//线程发送 class Sender extends Thread{	PipedOutputStream pos;	File file;	//构造方法 	Sender(PipedOutputStream pos, String fileName){		this.pos=pos;		file=new File(fileName);	}	//线程运行方法 	public void run(){		try{			//读文件内容 			FileInputStream fs=new FileInputStream(file);			int data;			while((data=fs.read())!=-1){				//写入管道始端 				pos.write(data);			}			pos.close();		}		catch(IOException e) {			System.out.println(“Sender Error” +e);		}	}}//线程读 class Receiver extends Thread{	PipedInputStream pis;	File file;	//构造方法 	Receiver(PipedInputStream pis, String fileName){		this.pis=pis;		file=new File(fileName);	}	//线程运行 	public void run(){		try {			//写文件流对象 			FileOutputStream fs=new FileOutputStream(file);			int data;			//从管道末端读 			while((data=pis.read())!=-1){				//写入本地文件    				fs.write(data);			}			pis.close();		}		catch(IOException e){			System.out.println("Receiver Error" +e);		}	}}

7阻塞队列

阻塞队列可以代替管道流方式来实现进水管/排水管模式（生产者/消费者).JDK1.5提供了几个现成的阻塞队列.现在来看ArrayBlockingQueue的代码如下：

这里是一个阻塞队列

BlockingQueue blockingQ = new ArrayBlockingQueue 10;

一个线程从队列里取

for(;;){ Object o = blockingQ.take();//队列为空，则等待（阻塞） }

另一个线程往队列存

for(;;){ blockingQ.put(new Object());//队列满，则等待（阻塞） }

可见，阻塞队列使用起来比管道简单。

8使用Executors、Executor、ExecutorService、ThreadPoolExecutor

可以使用线程管理任务。还可以使用jdk1.5提供的一组类来更方便的管理任务。从这些类里我们可以体会一种面向任务的思维方式。这些类是：

Executor接口。使用方法：

Executor executor = anExecutor;//生成一个Executor实例。 executor.execute(new RunnableTask1());

用意：使用者只关注任务执行，不用操心去关注任务的创建、以及执行细节等这些第三方实现者关心的问题。也就是说，把任务的调用执行和任务的实现解耦。

实际上，JDK1.5中已经有该接口出色的实现。够用了。

Executors是一个如同Collections一样的工厂类或工具类，用来产生各种不同接口的实例。

ExecutorService接口它继承自Executor.Executor只管把任务扔进executor()里去执行，剩余的事就不管了。而ExecutorService则不同，它会多做点控制工作。比如：

class NetworkService {	private final ServerSocket serverSocket;	private final ExecutorService pool;	public NetworkService(int port, int poolSize) throws IOException {		serverSocket = new ServerSocket(port);		pool = Executors.newFixedThreadPool(poolSize);	}	public void serve() {		try {			for (;;) {				pool.execute(new Handler(serverSocket.accept()));			}		}		catch (IOException ex) {			pool.shutdown();			//不再执行新任务		}	}}class Handler implements Runnable {	private final Socket socket;	Handler(Socket socket) {		this.socket = socket;	}	public void run() {		// read and service request	}}

ExecutorService(也就是代码里的pool对象）执行shutdown后，它就不能再执行新任务了，但老任务会继续执行完毕，那些等待执行的任务也不再等待了。

任务提交者与执行者通讯

public static void main(String args[])throws Exception {	ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();	Callable task = new Callable(){		public String call()throws Exception{			return “test”;		}	}	;	Future f = executor.submit(task);	String result = f.get();	//等待（阻塞）返回结果 	System.out.println(result);	executor.shutdown();}

Executors.newSingleThreadExecutor()取得的Executor实例有以下特性:

任务顺序执行.比如：

executor.submit(task1); executor.submit(task2);

必须等task1执行完，task2才能执行。

task1和task2会被放入一个队列里，由一个工作线程来处理。即：一共有2个线程(主线程、处理任务的工作线程）。

其它的类请参考JavaDoc

9并发流程控制

本节例子来自温少的Java并发教程，可能会有改动。向温少致敬。

CountDownLatch门插销计数器

启动线程，然后等待线程结束。即常用的主线程等所有子线程结束后再执行的问题。

public static void main(String[] args)throws Exception {	// TODO Auto-generated method stub 	final int count=10;	final CountDownLatch completeLatch = new CountDownLatch(count);	//定义了门插销的数目是10	for (int i=0;i<count;i++){		Thread thread = new Thread("worker thread"+i){			public void run(){				//do xxxx                  				completeLatch.countDown();				//减少一根门插销			}		}		;		thread.start();	}	completeLatch.await();	//如果门插销还没减完则等待。}

JDK1.4时，常用办法是给子线程设置状态，主线程循环检测。易用性和效率都不好。

启动很多线程，等待通知才能开始

public static void main(String[] args) throws Exception {	// TODO Auto-generated method stub 	final CountDownLatch startLatch = new CountDownLatch(1);	//定义了一根门插销	for (int i = 0; i < 10; i++) {		Thread thread = new Thread("worker thread" + i) {			public void run() {				try {					startLatch.await();					//如果门插销还没减完则等待				}				catch (InterruptedException e) {				}				// do xxxx			}		}		;		thread.start();	}	startLatch.countDown();	//减少一根门插销}

CycliBarrier. 等所有线程都达到一个起跑线后才能开始继续运行。

public class CycliBarrierTest implements Runnable {	private CyclicBarrier barrier;	public CycliBarrierTest(CyclicBarrier barrier) {		this.barrier = barrier;	}	public void run() {		//do xxxx;		try {			this.barrier.await();			//线程运行至此会检查是否其它线程都到齐了，没到齐就继续等待。到齐了就执行barrier的run函数体里的内容		}		catch (Exception e) {		}	}	/** * @param args */	public static void main(String[] args) {		//参数2代表两个线程都达到起跑线才开始一起继续往下执行		CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(2, new Runnable() {			public void run() {				//do xxxx;			}		}		);		Thread t1 = new Thread(new CycliBarrierTest(barrier));		Thread t2 = new Thread(new CycliBarrierTest(barrier));		t1.start();		t2.start();	}}

这简化了传统的用计数器+wait/notifyAll来实现该功能的方式。

10并发3定律

Amdahl定律.给定问题规模，可并行化部分占12%，那么即使把并行运用到极致，系统的性能最多也只能提高1/(1-0.12)=1.136倍。即：并行对提高系统性能有上限。

Gustafson定律.Gustafson定律说Amdahl定律没有考虑随着cpu的增多而有更多的计算能力可被使用。其本质在于更改问题规模从而可以把Amdahl定律中那剩下的88%的串行处理并行化，从而可以突破性能门槛。本质上是一种空间换时间。

Sun-Ni定律.是前两个定律的进一步推广。其主要思想是计算的速度受限于存储而不是CPU的速度.所以要充分利用存储空间等计算资源，尽量增大问题规模以产生更好/更精确的解.

11由并发到并行

计算机识别物体需要飞速的计算，以至于芯片发热发烫，而人在识别物体时却一目了然，却并不会导致某个脑细胞被烧热烧焦（夸张）而感到不适，是由于大脑是一个分布式并行运行系统，就像google用一些廉价的linux服务器可以进行庞大复杂的计算一样，大脑内部无数的神经元的独自计算，互相分享成果，从而瞬间完成需要单个cpu万亿次运算才能有的效果。试想，如果在并行处理领域有所创建，将对计算机的发展和未来产生不可估量的影响。当然，其中的挑战也可想而知：许多的问题是并不容易轻易就“分割”的了的。

总结

以上就是本文关于java并发问题概述的全部内容，希望对大家有所帮助。感兴趣的朋友可以继续参阅本站其他相关专题，如有不足之处，欢迎留言指出。感谢朋友们对本站的支持！

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