摘要:并發(fā)和并行并發(fā)和并行是兩個非常容易被混淆的概念。并發(fā)說的是在一個時間段內(nèi),多件事情在這個時間段內(nèi)交替執(zhí)行。并行說的是多件事情在同一個時刻同事發(fā)生。由于線程池是一個線程,得不到執(zhí)行,而被餓死,最終導(dǎo)致了程序死鎖的現(xiàn)象。
同步(Synchronous)和異步(Asynchronous)
同步和異步通常來形容一次方法調(diào)用,同步方法調(diào)用一旦開始,調(diào)用者必須等到方法調(diào)用返回后,才能繼續(xù)后續(xù)的行為。異步方法調(diào)用更像一個消息傳遞,一旦開始,方法調(diào)用就會立即返回,調(diào)用者就可以繼續(xù)后續(xù)的操作。而異步方法通常會在另外一個線程中“真實(shí)”地執(zhí)行。整個過程,不會阻礙調(diào)用者的工作。
如圖:
上圖中顯示了同步方法調(diào)用和異步方法調(diào)用的區(qū)別。對于調(diào)用者來說,異步調(diào)用似乎是一瞬間就完成的。如果異步調(diào)用需要返回結(jié)果,那么當(dāng)這個異步調(diào)用真實(shí)完成時,則會通知調(diào)用者。
打個比方,比如購物,如果你去商場買空調(diào),當(dāng)你到了商場看重了一款空調(diào),你就向售貨員下單。售貨員去倉庫幫你調(diào)配物品。這天你熱的是在不行了,就催著商家趕緊給你送貨,于是你就在商店里面候著他們,直到商家把你和空調(diào)一起送回家,一次愉快的購物就結(jié)束了。這就是同步調(diào)用。
不過,如果我們趕時髦,就坐在家里打開電腦,在電腦上訂購了一臺空調(diào)。當(dāng)你完成網(wǎng)上支付的時候,對你來說購物過程已經(jīng)結(jié)束了。雖然空調(diào)還沒有送到家,但是你的任務(wù)已經(jīng)完成了。商家接到你的訂單后,就會加緊安平送貨,當(dāng)然這一切已經(jīng)跟你無關(guān)了。你已經(jīng)支付完成,想干什么就能去干什么,出去溜幾圈都不成問題,等送貨上門的時候,接到商家的電話,回家一趟簽收就完事了。這就是異步調(diào)用。
并發(fā)(Concurrency)和并行(Parallelism)并發(fā)和并行是兩個非常容易被混淆的概念。他們都可以表示兩個或者多個任務(wù)一起執(zhí)行,但是側(cè)重點(diǎn)有所不同。并發(fā)偏重于多個任務(wù)交替執(zhí)行,而多個任務(wù)之間有可能還是串行的,而并行是真正意義上的“同時執(zhí)行”,下圖很好地詮釋了這點(diǎn)。
大家排隊在一個咖啡機(jī)上接咖啡,交替執(zhí)行,是并發(fā);兩臺咖啡機(jī)上面接咖啡,是并行。
從嚴(yán)格意義上來說,并行的多任務(wù)是真的同時執(zhí)行,而對于并發(fā)來說,這個過程只是交替的,一會執(zhí)行任務(wù)A,一會執(zhí)行任務(wù)B,系統(tǒng)會不停地在兩者之間切換。但對于外部觀察者來說,即使多個任務(wù)之間是串行并發(fā)的,也會造成多任務(wù)間并行執(zhí)行的錯覺。
并發(fā)說的是在一個時間段內(nèi),多件事情在這個時間段內(nèi)交替執(zhí)行。
并行說的是多件事情在同一個時刻同事發(fā)生。
實(shí)際上,如果系統(tǒng)內(nèi)只有一個CPU,而使用多進(jìn)程或者多線程任務(wù),那么真實(shí)環(huán)境中這些任務(wù)不可能是真實(shí)并行的,畢竟一個CPU一次只能執(zhí)行一條指令,在這種情況下多進(jìn)程或者多線程就是并發(fā)的,而不是并行的(操作系統(tǒng)會不停地切換多任務(wù))。真實(shí)的并行也只可能出現(xiàn)在擁有多個CPU的系統(tǒng)中(比如多核CPU)。
臨界區(qū)
臨界區(qū)用來表示一種公共資源或者說共享數(shù)據(jù),可以被多個線程使用,但是每一次只能有一個線程使用它,一旦臨界區(qū)資源被占用,其他線程要想使用這個資源就必須等待。
比如,一個辦公室里有一臺打印機(jī),打印機(jī)一次只能執(zhí)行一個任務(wù)。如果小王和小明同時需要打印文件,很明顯,如果小王先發(fā)了打印任務(wù),打印機(jī)就開始打印小王的文件,小明的任務(wù)就只能等待小王打印結(jié)束后才能打印,這里的打印機(jī)就是一個臨界區(qū)的例子。
在并行程序中,臨界區(qū)資源是保護(hù)的對象,如果意外出現(xiàn)打印機(jī)同時執(zhí)行兩個任務(wù)的情況,那么最有可能的結(jié)果就是打印出來的文件是損壞的文件,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來形容很多線程間的相互影響。比如一個線程占用了臨界區(qū)資源,那么其他所有需要這個資源的線程就必須在這個臨界區(qū)中等待。等待會導(dǎo)致線程掛起,這種情況就是阻塞。此時,如果占用資源的線程一直不愿意釋放資源,那么其他線程阻塞在這個臨界區(qū)上的線程都不能工作。
非阻塞的意思與之相反,它強(qiáng)調(diào)沒有一個線程可以妨礙其他線程執(zhí)行,所有的線程都會嘗試不斷向前執(zhí)行。
死鎖(Deadlock)、饑餓(Starvation)和活鎖(Livelock)
死鎖、饑餓和活鎖都屬于多線程的活躍性問題。如果發(fā)現(xiàn)上述幾種情況,那么相關(guān)線程就不再活躍,也就是說它可能很難再繼續(xù)往下執(zhí)行了。
死鎖應(yīng)該是最糟糕的一種情況了(當(dāng)然,其他幾種情況也好不到哪里去),如下圖顯示了一個死鎖的發(fā)生:
A、B、C、D四輛小車都在這種情況下都無法繼續(xù)行駛了。他們彼此之間相互占用了其他車輛的車道,如果大家都不愿意釋放自己的車道,那么這個狀況將永遠(yuǎn)持續(xù)下去,誰都不可能通過,死鎖是一個很嚴(yán)重的并且應(yīng)該避免和實(shí)時小心的問題,后面的文章中會做更詳細(xì)的討論。
饑餓是指某一個或者多個線程因?yàn)榉N種原因無法獲得所要的資源,導(dǎo)致一直無法執(zhí)行。比如它的優(yōu)先級可能太低,而高優(yōu)先級的線程不斷搶占它需要的資源,導(dǎo)致低優(yōu)先級線程無法工作。在自然界中,母雞給雛鳥喂食很容易出現(xiàn)這種情況:由于雛鳥很多,食物有限,雛鳥之間的事務(wù)競爭可能非常厲害,經(jīng)常搶不到事務(wù)的雛鳥有可能被餓死。線程的饑餓非常類似這種情況。此外,某一個線程一直占著關(guān)鍵資源不放,導(dǎo)致其他需要這個資源的線程無法正常執(zhí)行,這種情況也是饑餓的一種。于死鎖想必,饑餓還是有可能在未來一段時間內(nèi)解決的(比如,高優(yōu)先級的線程已經(jīng)完成任務(wù),不再瘋狂執(zhí)行)。
活鎖是一種非常有趣的情況。不知道大家是否遇到過這么一種場景,當(dāng)你要做電梯下樓時,電梯到了,門開了,這是你正準(zhǔn)備出去。但很不巧的是,門外一個人當(dāng)著你的去路,他想進(jìn)來。于是,你很禮貌地靠左走,禮讓對方。同時,對方也非常禮貌的靠右走,希望禮讓你。結(jié)果,你們倆就又撞上了。于是乎,你們都意識到了問題,希望盡快避讓對方,你立即向右邊走,同時,他立即向左邊走。結(jié)果,又撞上了!不過介于人類的智慧,我相信這個動作重復(fù)兩三次后,你應(yīng)該可以順利解決這個問題。因?yàn)檫@個時候,大家都會本能地對視,進(jìn)行交流,保證這種情況不再發(fā)生。但如果這種情況發(fā)生在兩個線程之間可能就不那么幸運(yùn)了。如果線程智力不夠。且都秉承著“謙讓”的原則,主動將資源釋放給他人使用,那么久會導(dǎo)致資源不斷地在兩個線程間跳動,而沒有一個線程可以同時拿到所有資源正常執(zhí)行。這種情況就是活鎖。
死鎖的例子package com.jvm.visualvm; 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(); } /** * 線程死鎖等待演示 */ 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 { } }
運(yùn)行上面代碼,可以通過jstack查看到死鎖信息:
"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$Obj1的鎖,等待獲取com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2的鎖
thread2持有com.jvm.visualvm.Demo4$Obj2的鎖,等待獲取com.jvm.visualvm.Demo4$Obj1的鎖,兩個線程相互等待獲取對方持有的鎖,出現(xiàn)死鎖。
package com.jvm.jconsole; import java.util.concurrent.*; public class ExecutorLock { private static ExecutorService single = Executors.newSingleThreadExecutor(); public static class AnotherCallable implements Callable{ @Override public String call() throws Exception { System.out.println("in AnotherCallable"); return "annother success"; } } public static class MyCallable implements Callable { @Override public String call() throws Exception { System.out.println("in MyCallable"); Future submit = single.submit(new AnotherCallable()); return "success:" + submit.get(); } } public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException { MyCallable task = new MyCallable(); Future submit = single.submit(task); System.out.println(submit.get()); System.out.println("over"); single.shutdown(); } }
執(zhí)行代碼,輸出:
in MyCallable
使用jstack命令查看線程堆棧信息:
"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
堆棧信息結(jié)合圖中的代碼,可以看出主線程在32行處于等待中,線程池中的工作線程在25行處于等待中,等待獲取結(jié)果。由于線程池是一個線程,AnotherCallable得不到執(zhí)行,而被餓死,最終導(dǎo)致了程序死鎖的現(xiàn)象。
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