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线程同步

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当多个线程同时运行时,线程的调度由操作系统决定,程序本身无法决定。因此,任何一个线程都有可能在任何指令处被操作系统暂停,然后在某个时间段后继续执行。

这个时候,有个单线程模型下不存在的问题就来了:如果多个线程同时读写共享变量,会出现数据不一致的问题。

我们来看一个例子:

// 多线程
----
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        var add = new AddThread();
        var dec = new DecThread();
        add.start();
        dec.start();
        add.join();
        dec.join();
        System.out.println(Counter.count);
    }
}

class Counter {
    public static int count = 0;
}

class AddThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) { Counter.count += 1; }
    }
}

class DecThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) { Counter.count -= 1; }
    }
}

上面的代码很简单,两个线程同时对一个int变量进行操作,一个加10000次,一个减10000次,最后结果应该是0,但是,每次运行,结果实际上都是不一样的。

这是因为对变量进行读取和写入时,结果要正确,必须保证是原子操作。原子操作是指不能被中断的一个或一系列操作。

例如,对于语句:

n = n + 1;

看上去是一行语句,实际上对应了3条指令:

ILOAD
IADD
ISTORE

我们假设n的值是100,如果两个线程同时执行n = n + 1,得到的结果很可能不是102,而是101,原因在于:

┌───────┐    ┌───────┐
│Thread1│    │Thread2│
└───┬───┘    └───┬───┘
    │            │
    │ILOAD (100) │
    │            │ILOAD (100)
    │            │IADD
    │            │ISTORE (101)
    │IADD        │
    │ISTORE (101)│
    ▼            ▼

如果线程1在执行ILOAD后被操作系统中断,此刻如果线程2被调度执行,它执行ILOAD后获取的值仍然是100,最终结果被两个线程的ISTORE写入后变成了101,而不是期待的102

这说明多线程模型下,要保证逻辑正确,对共享变量进行读写时,必须保证一组指令以原子方式执行:即某一个线程执行时,其他线程必须等待:

┌───────┐     ┌───────┐
│Thread1│     │Thread2│
└───┬───┘     └───┬───┘
    │             │
    │-- lock --   │
    │ILOAD (100)  │
    │IADD         │
    │ISTORE (101) │
    │-- unlock -- │
    │             │-- lock --
    │             │ILOAD (101)
    │             │IADD
    │             │ISTORE (102)
    │             │-- unlock --
    ▼             ▼

通过加锁和解锁的操作,就能保证3条指令总是在一个线程执行期间,不会有其他线程会进入此指令区间。即使在执行期线程被操作系统中断执行,其他线程也会因为无法获得锁导致无法进入此指令区间。只有执行线程将锁释放后,其他线程才有机会获得锁并执行。这种加锁和解锁之间的代码块我们称之为临界区(Critical Section),任何时候临界区最多只有一个线程能执行。

可见,保证一段代码的原子性就是通过加锁和解锁实现的。Java程序使用synchronized关键字对一个对象进行加锁:

synchronized(lock) {
    n = n + 1;
}

synchronized保证了代码块在任意时刻最多只有一个线程能执行。我们把上面的代码用synchronized改写如下:

// 多线程
----
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        var add = new AddThread();
        var dec = new DecThread();
        add.start();
        dec.start();
        add.join();
        dec.join();
        System.out.println(Counter.count);
    }
}

class Counter {
    public static final Object lock = new Object();
    public static int count = 0;
}

class AddThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) {
            synchronized(Counter.lock) {
                Counter.count += 1;
            }
        }
    }
}

class DecThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) {
            synchronized(Counter.lock) {
                Counter.count -= 1;
            }
        }
    }
}

注意到代码:

synchronized(Counter.lock) { // 获取锁
    ...
} // 释放锁

它表示用Counter.lock实例作为锁,两个线程在执行各自的synchronized(Counter.lock) { ... }代码块时,必须先获得锁,才能进入代码块进行。执行结束后,在synchronized语句块结束会自动释放锁。这样一来,对Counter.count变量进行读写就不可能同时进行。上述代码无论运行多少次,最终结果都是0。

使用synchronized解决了多线程同步访问共享变量的正确性问题。但是,它的缺点是带来了性能下降。因为synchronized代码块无法并发执行。此外,加锁和解锁需要消耗一定的时间,所以,synchronized会降低程序的执行效率。

我们来概括一下如何使用synchronized

  1. 找出修改共享变量的线程代码块;
  2. 选择一个共享实例作为锁;
  3. 使用synchronized(lockObject) { ... }

在使用synchronized的时候,不必担心抛出异常。因为无论是否有异常,都会在synchronized结束处正确释放锁:

public void add(int m) {
    synchronized (obj) {
        if (m < 0) {
            throw new RuntimeException();
        }
        this.value += m;
    } // 无论有无异常,都会在此释放锁
}

我们再来看一个错误使用synchronized的例子:

// 多线程
----
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        var add = new AddThread();
        var dec = new DecThread();
        add.start();
        dec.start();
        add.join();
        dec.join();
        System.out.println(Counter.count);
    }
}

class Counter {
    public static final Object lock1 = new Object();
    public static final Object lock2 = new Object();
    public static int count = 0;
}

class AddThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) {
            synchronized(Counter.lock1) {
                Counter.count += 1;
            }
        }
    }
}

class DecThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) {
            synchronized(Counter.lock2) {
                Counter.count -= 1;
            }
        }
    }
}

结果并不是0,这是因为两个线程各自的synchronized锁住的不是同一个对象!这使得两个线程各自都可以同时获得锁:因为JVM只保证同一个锁在任意时刻只能被一个线程获取,但两个不同的锁在同一时刻可以被两个线程分别获取。

因此,使用synchronized的时候,获取到的是哪个锁非常重要。锁对象如果不对,代码逻辑就不对。

我们再看一个例子:

// 多线程
----
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        var ts = new Thread[] { new AddStudentThread(), new DecStudentThread(), new AddTeacherThread(), new DecTeacherThread() };
        for (var t : ts) {
            t.start();
        }
        for (var t : ts) {
            t.join();
        }
        System.out.println(Counter.studentCount);
        System.out.println(Counter.teacherCount);
    }
}

class Counter {
    public static final Object lock = new Object();
    public static int studentCount = 0;
    public static int teacherCount = 0;
}

class AddStudentThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) {
            synchronized(Counter.lock) {
                Counter.studentCount += 1;
            }
        }
    }
}

class DecStudentThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) {
            synchronized(Counter.lock) {
                Counter.studentCount -= 1;
            }
        }
    }
}

class AddTeacherThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) {
            synchronized(Counter.lock) {
                Counter.teacherCount += 1;
            }
        }
    }
}

class DecTeacherThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i=0; i<10000; i++) {
            synchronized(Counter.lock) {
                Counter.teacherCount -= 1;
            }
        }
    }
}

上述代码的4个线程对两个共享变量分别进行读写操作,但是使用的锁都是Counter.lock这一个对象,这就造成了原本可以并发执行的Counter.studentCount += 1Counter.teacherCount += 1,现在无法并发执行了,执行效率大大降低。实际上,需要同步的线程可以分成两组:AddStudentThreadDecStudentThreadAddTeacherThreadDecTeacherThread,组之间不存在竞争,因此,应该使用两个不同的锁,即:

AddStudentThreadDecStudentThread使用lockStudent锁:

synchronized(Counter.lockStudent) {
    ...
}

AddTeacherThreadDecTeacherThread使用lockTeacher锁:

synchronized(Counter.lockTeacher) {
    ...
}

这样才能最大化地提高执行效率。

不需要synchronized的操作

JVM规范定义了几种原子操作:

  • 基本类型(longdouble除外)赋值,例如:int n = m
  • 引用类型赋值,例如:List<String> list = anotherList

longdouble是64位数据,JVM没有明确规定64位赋值操作是不是一个原子操作,不过在x64平台的JVM是把longdouble的赋值作为原子操作实现的。

单条原子操作的语句不需要同步。例如:

public void set(int m) {
    synchronized(lock) {
        this.value = m;
    }
}

就不需要同步。

对引用也是类似。例如:

public void set(String s) {
    this.value = s;
}

上述赋值语句并不需要同步。

但是,如果是多行赋值语句,就必须保证是同步操作,例如:

class Point {
    int x;
    int y;
    public void set(int x, int y) {
        synchronized(this) {
            this.x = x;
            this.y = y;
        }
    }
}
多线程连续读写多个变量时,同步的目的是为了保证程序逻辑正确!

不但写需要同步,读也需要同步:

class Point {
    int x;
    int y;

    public void set(int x, int y) {
        synchronized(this) {
            this.x = x;
            this.y = y;
        }
    }

    public int[] get() {
        int[] copy = new int[2];
        copy[0] = x;
        copy[1] = y;
    }
}

假定当前坐标是(100, 200),那么当设置新坐标为(110, 220)时,上述未同步的多线程读到的值可能有:

  • (100, 200):x,y更新前;
  • (110, 200):x更新后,y更新前;
  • (110, 220):x,y更新后。

如果读取到(110, 200),即读到了更新后的x,更新前的y,那么可能会造成程序的逻辑错误,无法保证读取的多个变量状态保持一致。

有些时候,通过一些巧妙的转换,可以把非原子操作变为原子操作。例如,上述代码如果改造成:

class Point {
    int[] ps;
    public void set(int x, int y) {
        int[] ps = new int[] { x, y };
        this.ps = ps;
    }
}

就不再需要写同步,因为this.ps = ps是引用赋值的原子操作。而语句:

int[] ps = new int[] { x, y };

这里的ps是方法内部定义的局部变量,每个线程都会有各自的局部变量,互不影响,并且互不可见,并不需要同步。

不过要注意,读方法在复制int[]数组的过程中仍然需要同步。

不可变对象无需同步

如果多线程读写的是一个不可变对象,那么无需同步,因为不会修改对象的状态:

class Data {
    List<String> names;
    void set(String[] names) {
        this.names = List.of(names);
    }
    List<String> get() {
        return this.names;
    }
}

注意到set()方法内部创建了一个不可变List,这个List包含的对象也是不可变对象String,因此,整个List<String>对象都是不可变的,因此读写均无需同步。

分析变量是否能被多线程访问时,首先要理清概念,多线程同时执行的是方法。对于下面这个例子:

class Status {
    List<String> names;
    int x;
    int y;
    void set(String[] names, int n) {
        List<String> ns = List.of(names);
        this.names = ns;
        int step = n * 10;
        this.x += step;
        this.y += step;
    }
    StatusRecord get() {
        return new StatusRecord(this.names, this.x, this.y);
    }
}

如果有A、B两个线程,同时执行是指:

  • 可能同时执行set();
  • 可能同时执行get();
  • 可能A执行set(),同时B执行get()。

类的成员变量namesxy显然能被多线程同时读写,但局部变量(包括方法参数)如果没有“逃逸”,那么只有当前线程可见。局部变量step仅在set()方法内部使用,因此每个线程同时执行set时都有一份独立的step存储在线程的栈上,互不影响,但是局部变量ns虽然每个线程也各有一份,但后续赋值后对其他线程就变成可见了。对set()方法同步时,如果要最小化synchronized代码块,可以改写如下:

void set(String[] names, int n) {
    // 局部变量其他线程不可见:
    List<String> ns = List.of(names);
    int step = n * 10;
    synchronized(this) {
        this.names = ns;
        this.x += step;
        this.y += step;
    }
}

因此,深入理解多线程还需理解变量在栈上的存储方式,基本类型和引用类型的存储方式也不同。

小结

多线程同时读写共享变量时,可能会造成逻辑错误,因此需要通过synchronized同步;

同步的本质就是给指定对象加锁,加锁后才能继续执行后续代码;

注意加锁对象必须是同一个实例;

对JVM定义的单个原子操作不需要同步。


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