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java高并發(fā)系列 - 第2天:并發(fā)級別

Tony_Zby / 3130人閱讀

摘要：由于臨界區(qū)的存在，多線程之間的并發(fā)必須受到控制。對于非公平鎖來說，系統(tǒng)允許高優(yōu)先級的線程插隊(duì)。這樣有可能導(dǎo)致低優(yōu)先級線程產(chǎn)生饑餓。它要求所有線程都必須在有限步內(nèi)完成，這樣不會引起饑餓問題。

由于臨界區(qū)的存在，多線程之間的并發(fā)必須受到控制。根據(jù)控制并發(fā)的策略，我們可以把并發(fā)的級別分為阻塞、無饑餓、無障礙、無鎖、無等待幾種。

阻塞

一個(gè)線程是阻塞的，那么在其他線程釋放資源之前，當(dāng)前線程無法繼續(xù)執(zhí)行。當(dāng)我們使用synchronized關(guān)鍵字或者重入鎖時(shí)，我們得到的就是阻塞的線程。

synchronize關(guān)鍵字和重入鎖都試圖在執(zhí)行后續(xù)代碼前，得到臨界區(qū)的鎖，如果得不到，線程就會被掛起等待，直到占有了所需資源為止。

無饑餓(Starvation-Free)

如果線程之間是有優(yōu)先級的，那么線程調(diào)度的時(shí)候總是會傾向于先滿足高優(yōu)先級的線程。也就是說，對于同一個(gè)資源的分配，是不公平的！圖1.7中顯示了非公平鎖與公平鎖兩種情況(五角星表示高優(yōu)先級線程)。對于非公平鎖來說，系統(tǒng)允許高優(yōu)先級的線程插隊(duì)。這樣有可能導(dǎo)致低優(yōu)先級線程產(chǎn)生饑餓。但如果鎖是公平的，按照先來后到的規(guī)則，那么饑餓就不會產(chǎn)生，不管新來的線程優(yōu)先級多高，要想獲得資源，就必須乖乖排隊(duì)，這樣所有的線程都有機(jī)會執(zhí)行。

無障礙(Obstruction-Free)

無障礙是一種最弱的非阻塞調(diào)度。兩個(gè)線程如果無障礙地執(zhí)行，那么不會因?yàn)榕R界區(qū)的問題導(dǎo)致一方被掛起。換言之，大家都可以大搖大擺地進(jìn)入臨界區(qū)了。那么大家一起修改共享數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)改壞了怎么辦呢？對于無障礙的線程來說，一旦檢測到這種情況，它就會立即對自己所做的修改進(jìn)行回滾，確保數(shù)據(jù)安全。但如果沒有數(shù)據(jù)競爭發(fā)生，那么線程就可以順利完成自己的工作，走出臨界區(qū)。

如果說阻塞的控制方式是悲觀策略，也就是說，系統(tǒng)認(rèn)為兩個(gè)線程之間很有可能發(fā)生不幸的沖突，因此以保護(hù)共享數(shù)據(jù)為第一優(yōu)先級，相對來說，非阻塞的調(diào)度就是一種樂觀的策略。它認(rèn)為多個(gè)線程之間很有可能不會發(fā)生沖突，或者說這種概率不大。因此大家都應(yīng)該無障礙地執(zhí)行，但是一旦檢測到?jīng)_突，就應(yīng)該進(jìn)行回滾。

從這個(gè)策略中也可以看到，無障礙的多線程程序并不一定能順暢運(yùn)行。因?yàn)楫?dāng)臨界區(qū)中存在嚴(yán)重的沖突時(shí)，所有的線程可能都會不斷地回滾自己的操作，而沒有一個(gè)線程可以走出臨界區(qū)。這種情況會影響系統(tǒng)的正常執(zhí)行。所以，我們可能會非常希望在這一堆線程中，至少可以有一個(gè)線程能夠在有限的時(shí)間內(nèi)完成自己的操作，而退出臨界區(qū)。至少這樣可以保證系統(tǒng)不會在臨界區(qū)中進(jìn)行無限的等待。

一種可行的無障礙實(shí)現(xiàn)可以依賴一個(gè)"一致性標(biāo)記"來實(shí)現(xiàn)。線程在操作之前，先讀取并保存這個(gè)標(biāo)記，在操作完成后，再次讀取，檢查這個(gè)標(biāo)記是否被更改過，如果兩者是一致的，則說明資源訪問沒有沖突。如果不一致，則說明資源可能在操作過程中與其他線程沖突，需要重試操作。而任何對資源有修改操作的線程，在修改數(shù)據(jù)前，都需要更新這個(gè)一致性標(biāo)記，表示數(shù)據(jù)不再安全。

數(shù)據(jù)庫中樂觀鎖，應(yīng)該比較熟悉，表中需要一個(gè)字段version(版本號)，每次更新數(shù)據(jù)version+1，更新的時(shí)候?qū)姹咎栕鳛闂l件進(jìn)行更新，根據(jù)更新影響的行數(shù)判斷更新是否成功，偽代碼如下：

1.查詢數(shù)據(jù)，此時(shí)版本號為w_v
2.打開事務(wù)
3.做一些業(yè)務(wù)操作
4.update t set version = version+1 where id = 記錄id and version = w_v;//此行會返回影響的行數(shù)c
5.

if(c>0){
        //提交事務(wù)
    }else{
        //回滾事務(wù)
    }

多個(gè)線程更新同一條數(shù)據(jù)的時(shí)候，數(shù)據(jù)庫會對當(dāng)前數(shù)據(jù)加鎖，同一時(shí)刻只有一個(gè)線程可以執(zhí)行更新語句。

無鎖(Lock-Free)

無鎖的并行都是無障礙的。在無鎖的情況下，所有的線程都能嘗試對臨界區(qū)進(jìn)行訪問，但不同的是，無鎖的并發(fā)保證必然有一個(gè)線程能夠在有限步內(nèi)完成操作離開臨界區(qū)。

在無鎖的調(diào)用中，一個(gè)典型的特點(diǎn)是可能會包含一個(gè)無窮循環(huán)。在這個(gè)循環(huán)中，線程會不斷嘗試修改共享變量。如果沒有沖突，修改成功，那么程序退出，否則繼續(xù)嘗試修改。但無論如何，無鎖的并行總能保證有一個(gè)線程是可以勝出的，不至于全軍覆沒。至于臨界區(qū)中競爭失敗的線程，他們必須不斷重試，直到自己獲勝。如果運(yùn)氣很不好，總是嘗試不成功，則會出現(xiàn)類似饑餓的先寫，線程會停止。

下面就是一段無鎖的示意代碼，如果修改不成功，那么循環(huán)永遠(yuǎn)不會停止。

while(!atomicVar.compareAndSet(localVar, localVar+1)){
        localVal = atomicVar.get();
}
無等待

無鎖只要求有一個(gè)線程可以在有限步內(nèi)完成操作，而無等待則在無鎖的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步擴(kuò)展。它要求所有線程都必須在有限步內(nèi)完成，這樣不會引起饑餓問題。如果限制這個(gè)步驟的上限，還可以進(jìn)一步分解為有界無等待和線程數(shù)無關(guān)的無等待等幾種，他們之間的區(qū)別只是對循環(huán)次數(shù)的限制不同。

一種典型的無等待結(jié)果就是RCU(Read Copy Update)。它的基本思想是，對數(shù)據(jù)的讀可以不加控制。因此，所有的讀線程都是無等待的，它們既不會被鎖定等待也不會引起任何沖突。但在寫數(shù)據(jù)的時(shí)候，先獲取原始數(shù)據(jù)的副本，接著只修改副本數(shù)據(jù)(這就是為什么讀可以不加控制)，修改完成后，在合適的時(shí)機(jī)回寫數(shù)據(jù)。

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