现如今,服务器性能日益增长,并发(concurrency)编程已经“深入人心”,但由于冯诺依式计算机“指令存储,顺序执行”的特性,使得编写跨越时间维度的并发程序异常困难,所以现代编程语言都对并发编程提供了一定程度的支持,像 Golang 里面的 Goroutines、Clojure 里面的 STM(Software Transactional Memory)、Erlang 里面的 Actor。
Java 对于并发编程的解决方案是多线程(Multi-threaded programming),而且 Java 中的线程 与 native 线程一一对应,多线程也是早期操作系统支持并发的方案之一(其他方案:多进程、IO多路复用)。
本文着重介绍 Java 中线程同步的原理、实现机制,更侧重操作系统层面,部分原理参考 openjdk 源码。阅读本文需要对 CyclicBarrier、CountDownLatch 有基本的使用经验。
JUC
在 Java 1.5 版本中,引入 JUC 并发编程辅助包,很大程度上降低了并发编程的门槛,JUC 里面主要包括:
- 线程调度的 Executors
- 缓冲任务的 Queues
- 超时相关的 TimeUnit
- 并发集合(如 ConcurrentHashMap)
- 线程同步类(Synchronizers,如 CountDownLatch )
个人认为其中最重要也是最核心的是线程同步这一块,因为并发编程的难点就在于如何保证「共享区域(专业术语:临界区,Critical Section)的访问时序问题」。
AbstractQueuedSynchronizer
JUC 提供的同步类主要有如下几种:
Semaphore
is a classic concurrency tool.CountDownLatch
is a very simple yet very common utility for blocking until a given number of signals, events, or conditions hold.- A
CyclicBarrier
is a resettable multiway synchronization point useful in some styles of parallel programming. - A
Phaser
provides a more flexible form of barrier that may be used to control phased computation among multiple threads. - An
Exchanger
allows two threads to exchange objects at a rendezvous(约会) point, and is useful in several pipeline designs.
通过阅读其源码可以发现,其实现都基于 AbstractQueuedSynchronizer 这个抽象类(一般简写 AQS),正如其 javadoc 开头所说:
Provides a framework for implementing blocking locks and related synchronizers (semaphores, events, etc) that rely on first-in-first-out (FIFO) wait queues. This class is designed to be a useful basis for most kinds of synchronizers that rely on a single atomic int value to represent state.
也就是说,AQS 通过维护内部的 FIFO 队列和具备原子更新的整型 state 这两个属性来实现各种锁机制,包括:是否公平,是否可重入,是否共享,是否可中断(interrupt),并在这基础上,提供了更方便实用的同步类,也就是一开始提及的 Latch、Barrier 等。
这里暂时不去介绍 AQS 实现细节与如何基于 AQS 实现各种同步类(挖个坑),感兴趣的可以移步美团的一篇文章《不可不说的Java“锁”事》 第六部分“独享锁 VS 共享锁”。
在学习 Java 线程同步这一块时,对我来说困扰最大的是「线程唤醒」,试想一个已经 wait/sleep/block 的线程,是如何响应 interrupt 的呢?当调用 Object.wait() 或 lock.lock() 时,JVM 究竟做了什么事情能够在调用 Object.notify 或 lock.unlock 时重新激活相应线程?
带着上面的问题,我们从源码中寻找答案。
Java 如何实现堵塞、通知
wait/notify
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在 JDK 源码中,上述两个方法均用 native 实现(即 cpp 代码),追踪相关代码
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通过上面的 cpp 代码,我们大概能猜出 JVM 是使用 monitor 来实现的 wait/notify 机制,至于这里的 monitor 是何种机制,这里暂时跳过,接着看 lock 相关实现
lock/unlock
LockSupport 是用来实现堵塞语义模型的基础辅助类,主要有两个方法:park 与 unpark。(在英文中,park 除了“公园”含义外,还有“停车”的意思)
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通过上述 unsafe.cpp 可以看到每个 thread 都会有一个 Parker 对象,所以我们需要查看 parker 对象的定义
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看到这里大概就能知道 park 是使用 pthread_mutex_t
与 pthread_cond_t
实现。好了,到目前为止,就引出了 Java 中与堵塞相关的实现,不难想象,都是依赖底层操作系统的功能。
OS 支持的同步原语
Semaphore
并发编程领域的先锋人物 Edsger Dijkstra(也是最短路径算法的作者)在 1965 年首次提出了信号量( Semaphores) 这一概念来解决线程同步的问题。信号量是一种特殊的变量类型,为非负整数,只有两个特殊操作PV:
- P(s) 如果 s!=0,将 s-1;否则将当前线程挂起,直到 s 变为非零
- V(s) 将 s+1,如果有线程堵塞在 P 操作等待 s 变成非零,那么 V 操作会重启这些线程中的任意一个
注:Dijkstra 为荷兰人,名字 P 和 V 来源于荷兰单词 Proberen(测试)和Verhogen(增加),为方便理解,后文会用 Wait 与 Signal 来表示。
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有两点注意事项:
- wait 中的「测试和减 1 操作」,signal 中的「加 1 操作」需要保证原子性。一般来说是使用硬件支持的 read-modify-write 原语,比如 test-and-set/fetch-and-add/compare-and-swap,除了硬件支持外,还可以用 busy wait 的软件方式来模拟。
- signal 中没有定义重新启动的线程顺序,也即多个线程在等待同一信号量时,无法预测重启哪一个线程
使用场景
信号量为控制并发程序的执行提供了强有力工具,这里列举两个场景:
互斥
信号量提供了了一种很方便的方法来保证对共享变量的互斥访问,基本思想是
将每个共享变量(或一组相关的共享变量)与一个信号量 s (初始化为1)联系起来,然后用 wait/signal 操作将相应的临界区包围起来。
二元信号量也被称为互斥锁(mutex,mutual exclusve, 也称为 binary semaphore),wait 操作相当于加锁,signal 相当于解锁。 一个被用作一组可用资源的计数器的信号量称为计数信号量(counting semaphore)
调度共享资源
除了互斥外,信号量的另一个重要作用是调度对共享资源的访问,比较经典的案例是生产者消费者,伪代码如下:
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POSIX 实现
POSIX 标准中有定义信号量相关的逻辑,在 semaphore.h 中,为 sem_t 类型,相关 API:
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信号量主要有两个缺点:
- Lack of structure,在设计大型系统时,很难保证 wait/signal 能以正确的顺序成对出现,顺序与成对缺一不可,否则就会出现死锁!
- Global visiblity,一旦程序出现死锁,整个程序都需要去检查
解决上述两个缺点的新方案是监控器(monitor)。
Monitors
C. A. R. Hoare(也是 Quicksort 的作者) 在 1974 年的论文 Monitors: an operating system structuring concept 首次提出了「监控器」概念,它提供了对信号量互斥和调度能力的更高级别的抽象,使用起来更加方便,一般形式如下:
monitor1 . . . monitorM
process1 . . . processN
我们可以认为监控器是这么一个对象:
- 所有访问同一监控器的线程通过条件变量(condition variables)间接通信
- 某一个时刻,只能有一个线程访问监控器
Condition variables
上面提到监控器通过条件变量(简写 cv)来协调线程间的通信,那么条件变量是什么呢?它其实是一个 FIFO 的队列,用来保存那些因等待某些条件成立而被堵塞的线程,对于一个条件变量 c 来说,会关联一个断言(assertion) P。线程在等待 P 成立的过程中,该线程不会锁住该监控器,这样其他线程就能够进入监控器,修改监控器状态;在 P 成立时,其他线程会通知堵塞的线程,因此条件变量上主要有三个操作:
wait(cv, m)
等待 cv 成立,m 表示与监控器关联的一 mutex 锁signal(cv)
也称为notify(cv)
用来通知 cv 成立,这时会唤醒等待的线程中的一个执行。根据唤醒策略,监控器分为两类:Hoare vs. Mesa,后面会介绍broadcast(cv)
也称为notifyAll(cv)
唤醒所有等待 cv 成立的线程
POSIX 实现
在 pthreads 中,条件变量的类型是 pthread_cond_t
,主要有如下几个方法:
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使用方式
在 pthreads 中,所有使用条件变量的地方都必须用一个 mutex 锁起来,这是为什么呢?看下面一个例子:
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如果没有锁,那么
- 线程 A 可能会在其他线程将 count 赋值为10后继续等待
- 线程 B 无法保证加一操作与测试 count 是否为零 的原子性
这里的关键点是,在进行条件变量的 wait 时,会释放该锁,以保证其他线程能够将之唤醒。不过需要注意的是,在线程 B 通知(signal) myCV 时,线程 A 无法立刻恢复执行,这是因为 myLock 这个锁还被线程 B 持有,只有在线程 B unlock(&myLock)
后,线程 A 才可恢复。总结一下:
- wait 时会释放锁
- signal 会唤醒等待同一 cv 的线程
- 被唤醒的线程需要重新获取锁,然后才能从 wait 中返回
Hoare vs. Mesa 监控器语义
在上面条件变量中,我们提到 signal 在调用时,会去唤醒等待同一 cv 的线程,根据唤醒策略的不同,监控器也分为两类:
- Hoare 监控器(1974),最早的监控器实现,在调用 signal 后,会立刻运行等待的线程,这时调用 signal 的线程会被堵塞(因为锁被等待线程占有了)
- Mesa 监控器(Xerox PARC, 1980),signal 会把等待的线程重新放回到监控的 ready 队列中,同时调用 signal 的线程继续执行。这种方式是现如今 pthreads/Java/C# 采用的
这两类监控器的关键区别在于等待线程被唤醒时,需要重新检查 P 是否成立。
上图表示蓝色的线程在调用监控器的 get 方式时,数据为空,因此开始等待 emptyFull 条件;紧接着,红色线程调用监控器的 set 方法改变 emptyFull 条件,这时
- 按照 Hoare 思路,蓝色线程会立刻执行,并且红色线程堵塞
- 按照 Mesa 思路,红色线程会继续执行,蓝色线程会重新与绿色线程竞争与监控器关联的锁
Java 中的监控器
在 Java 中,每个对象都是一个监控器(因此具备一个 lock 与 cv),调用对象 o 的 synchronized 方法 m 时,会首先去获取 o 的锁,除此之外,还可以调用 o 的 wait/notify/notify 方法进行并发控制
Big Picture
来源:https://www.cs.princeton.edu/courses/archive/fall11/cos318/lectures/L8_SemaphoreMonitor_v2.pdf
Interruptible
通过介绍操作系统支持的同步原语,我们知道了 park/unpark、wait/notify 其实就是利用信号量( pthread_mutex_t
)、条件变量( pthread_cond_t
)实现的,其实监控器也可以用信号量来实现。在查看 AQS 中,发现有这么一个属性:
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也就是说,在小于 1000 纳秒时,await 条件变量 P 时,会使用一个循环来代替条件变量的堵塞与唤醒,这是由于堵塞与唤醒本身的操作开销可能就远大于 await 的 timeout。相关代码:
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在 JUC 提供的高级同步类中,acquire 对应 park,release 对应 unpark,interrupt 其实就是个布尔的 flag 位,在 unpark 被唤醒时,检查该 flag ,如果为 true,则会抛出我们熟悉的 InterruptedException。
Selector.select()
响应中断异常的逻辑有些特别,因为对于这类堵塞 IO 操作来说,没有条件变量的堵塞唤醒机制,我们可以再看下 Thread.interrupt 的实现
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OpenJDK 使用了这么一个技巧来实现堵塞 IO 的中断唤醒:在一个线程被堵塞时,会关联一个 Interruptible 对象。 对于 Selector 来说,在开始时,会关联这么一个Interruptible 对象:
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当调用 interrupt 方式时,会关闭该 channel,这样就会关闭掉这个堵塞线程,可见为了实现这个功能,代价也是比较大的。LockSupport.park 中采用了类似技巧。
总结
也许基于多线程的并发编程不是最好的(可能是最复杂的,Clojure 大法好 :-),但却是最悠久的。 即便我们自己不去写往往也需要阅读别人的多线程代码,而且能够写出“正确”(who knows?)的多线程程序往往也是区分 senior 与 junior 程序员的标志,希望这篇文章能帮助大家理解 Java 是如何实现线程控制,有疑问欢迎留言指出,谢谢!
参考
- https://carlmastrangelo.com/blog/javas-mysterious-interrupt
- Java的LockSupport.park()实现分析
- 课件 COMP3151/9151 Foundations of Concurrency Lecture 6 - Semaphores, Monitors, POSIX Threads, Java
- 课件 http://crystal.uta.edu/~ylei/cse6324/data/semaphore.pdf
- 课件 https://cs61.seas.harvard.edu/wiki/images/1/12/Lec19-Semaphores.pdf
- Mutexes and Semaphores Demystified
- https://book.douban.com/subject/1888733/
- https://en.wikipedia.org/wiki/Mutual_exclusion
- https://stackoverflow.com/questions/3513045/conditional-variable-vs-semaphore
- https://stackoverflow.com/questions/2332765/lock-mutex-semaphore-whats-the-difference