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Java中J.U.C并發(fā)包誕生分析

本篇內(nèi)容介紹了“Java中J.U.C并發(fā)包誕生分析”的有關(guān)知識(shí)，在實(shí)際案例的操作過程中，不少人都會(huì)遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

從網(wǎng)站建設(shè)到定制行業(yè)解決方案，為提供成都網(wǎng)站設(shè)計(jì)、網(wǎng)站制作服務(wù)體系，各種行業(yè)企業(yè)客戶提供網(wǎng)站建設(shè)解決方案，助力業(yè)務(wù)快速發(fā)展。創(chuàng)新互聯(lián)將不斷加快創(chuàng)新步伐，提供優(yōu)質(zhì)的建站服務(wù)。

關(guān)于JCP和JSR

JCP是Java Community Process的簡寫，是一種開發(fā)和修訂Java技術(shù)規(guī)范的流程，同時(shí)，我們提到JCP一般是指維護(hù)管理這套流程的組織，這個(gè)組織主要由Java開發(fā)者以及被授權(quán)的非盈利組織組成，他們掌管著Java的發(fā)展方向。JCP是Sun公司1998年12月8日提出的，旨在通過java社區(qū)的力量推進(jìn)Java的發(fā)展。截止目前，已經(jīng)從1.0版本發(fā)展到了最新的2019年7月21日頒布的2.11版本。JCP流程中有四個(gè)主要階段，分別是啟動(dòng)、發(fā)布草案、最終版本、維護(hù)，一個(gè)Java的新功能從啟動(dòng)階段提出，到順利走完整套流程后，就會(huì)出現(xiàn)在下個(gè)版本的JDK中了。

JSR是Java Specification Requests的簡寫，是服務(wù)JCP啟動(dòng)階段提出草案的規(guī)范，任何人注冊成為JCP的會(huì)員后，都可以向JCP提交JSR。比如,你覺得JDK中String的操作方法沒有g(shù)uava中的實(shí)用，你提個(gè)JSR增強(qiáng)String中的方法，只要能夠通過JCP的審核，就可以在下個(gè)版本的JDK中看到了。我們熟知的提案有，Java緩存api的JSR-107、Bean屬性校驗(yàn)JSR-303等，當(dāng)然還有本篇要講的Java并發(fā)包JSR-166.

  • JCP官網(wǎng)：https://jcp.org

Doug Lea和他的JSR-166

Doug Lea，中文名為道格·利。是美國的一個(gè)大學(xué)教師，大神級的人物，J.U.C就是出自他之手。JDK1.5之前，我們控制程序并發(fā)訪問同步代碼只能使用synchronized，那個(gè)時(shí)候synchronized的性能還沒優(yōu)化好，性能并不好，控制線程也只能使用Object的wait和notify方法。這個(gè)時(shí)候Doug Lea給JCP提交了JSR-166的提案，在提交JSR-166之前，Doug Lea已經(jīng)使用了類似J.U.C包功能的代碼已經(jīng)三年多了，這些代碼就是J.U.C的原型，下面簡單看下這些具有歷史味道的代碼，同時(shí)也能引發(fā)我們的一些思考，如果JDK中沒有，那么就自己造呀！

Lock接口的原型

public class Mutex implements Sync  {
  /** The lock status **/
  protected boolean inuse_ = false;
  @Override
  public void acquire() throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted()) {
      throw new InterruptedException();
    }
    synchronized(this) {
      try {
        //如果inuse_為true就wait住線程
        while (inuse_) {
          wait();
        }
        inuse_ = true;
      }
      catch (InterruptedException ex) {
        notify();
        throw ex;
      }
    }
  }
  /**
   * 釋放鎖，通知線程繼續(xù)執(zhí)行
   */
  @Override
  public synchronized void release()  {
    inuse_ = false;
    notify(); 
  }
  @Override
  public boolean attempt(long msecs) throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted()) {
      throw new InterruptedException();
    }
    synchronized(this) {
      if (!inuse_) {
        inuse_ = true;
        return true;
      }
      else if (msecs <= 0) {
        return false;
      } else {
        long waitTime = msecs;
        long start = System.currentTimeMillis();
        try {
          for (;;) {
            wait(waitTime);
            if (!inuse_) {
              inuse_ = true;
              return true;
            }
            else {
              waitTime = msecs - (System.currentTimeMillis() - start);
              if (waitTime <= 0) 
                return false;
            }
          }
        }
        catch (InterruptedException ex) {
          notify();
          throw ex;
        }
      }
    }  
  }
}

CountDownLatch的原型

public class CountDown implements Sync {
    protected final int initialCount_;
    protected int count_;
    /**
     * Create a new CountDown with given count value
     **/
    public CountDown(int count) {
        count_ = initialCount_ = count;
    }
    @Override
    public void acquire() throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted()) {
            throw new InterruptedException();
        }
        synchronized (this) {
            while (count_ > 0) {
                wait();
            }
        }
    }
    @Override
    public boolean attempt(long msecs) throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted()) {
            throw new InterruptedException();
        }
        synchronized (this) {
            if (count_ <= 0) {
                return true;
            } else if (msecs <= 0) {
                return false;
            } else {
                long waitTime = msecs;
                long start = System.currentTimeMillis();
                for (; ; ) {
                    wait(waitTime);
                    if (count_ <= 0) {
                        return true;
                    } else {
                        waitTime = msecs - (System.currentTimeMillis() - start);
                        if (waitTime <= 0) {
                            return false;
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }
    /**
     * Decrement the count.
     * After the initialCount'th release, all current and future
     * acquires will pass
     **/
    @Override
    public synchronized void release() {
        if (--count_ == 0) {
            notifyAll();
        }
    }

    /**
     * Return the initial count value
     **/
    public int initialCount() {
        return initialCount_;
    }

    public synchronized int currentCount() {
        return count_;
    }
}

AbstractQueuedSynchronizer抽象類的原型

了解J.U.C的都知道，在這個(gè)包里面AbstractQueuedSynchronizer是精髓所在，這就是我們在聊并發(fā)包時(shí)俗稱的AQS，這個(gè)框架設(shè)計(jì)為同步狀態(tài)的原子性管理、線程的阻塞和解除阻塞以及排隊(duì)提供一種通用的機(jī)制。并發(fā)包下ReentrantLock、CountDownLatch等都是基于AQS來實(shí)現(xiàn)的，在看下上面的原型實(shí)現(xiàn)都是實(shí)現(xiàn)的Sync接口，是不是似曾相識(shí)，下面的Sync就是AbstractQueuedSynchronizer的原型了

  • AQS設(shè)計(jì)論文：http://gee.cs.oswego.edu/dl/papers/aqs.pdf

  • 中文譯文：https://www.cnblogs.com/dennyzhangdd/p/7218510.html

public interface Sync {

  public void acquire() throws InterruptedException;

  public boolean attempt(long msecs) throws InterruptedException;

  public void release();

  /**  One second, in milliseconds; convenient as a time-out value **/
  public static final long ONE_SECOND = 1000;
  /**  One minute, in milliseconds; convenient as a time-out value **/
  public static final long ONE_MINUTE = 60 * ONE_SECOND;
  /**  One hour, in milliseconds; convenient as a time-out value **/
  public static final long ONE_HOUR = 60 * ONE_MINUTE;
  /**  One day, in milliseconds; convenient as a time-out value **/
  public static final long ONE_DAY = 24 * ONE_HOUR;
  /**  One week, in milliseconds; convenient as a time-out value **/
  public static final long ONE_WEEK = 7 * ONE_DAY;
  /**  One year in milliseconds; convenient as a time-out value  **/
  public static final long ONE_YEAR = (long)(365.2425 * ONE_DAY);
  /**  One century in milliseconds; convenient as a time-out value **/
  public static final long ONE_CENTURY = 100 * ONE_YEAR;
}

JSR-166的詳細(xì)內(nèi)容

1、請描述擬議的規(guī)范：

這個(gè)JSR的目標(biāo)類似于JDK1.2 Collections包的目標(biāo)：

  • 1.標(biāo)準(zhǔn)化一個(gè)簡單，可擴(kuò)展的框架，該框架將常用的實(shí)用程序組織成一個(gè)足夠小的包，以便用戶可以輕松學(xué)習(xí)并由開發(fā)人員維護(hù)。

  • 2.提供一些高質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)。

該包將包含接口和類，這些接口和類在各種編程樣式和應(yīng)用程序中都很有用。這些類包括：

  • 原子變量。

  • 專用鎖，屏障，信號量和條件變量。

  • 為多線程使用而設(shè)計(jì)的隊(duì)列和相關(guān)集合。

  • 線程池和自定義執(zhí)行框架。

我們還將研究核心語言和庫中的相關(guān)支持。 請注意，這些與J2EE中使用的事務(wù)并發(fā)控制框架完全不同。（但是，對于那些創(chuàng)建此類框架的人來說，它們會(huì)很有用。）

2、什么是目標(biāo)Java平臺(tái)？

J2SE

3、擬議規(guī)范將解決Java社區(qū)的哪些需求？

底層線程原語（例如synchronized塊，Object.wait和Object.notify）不足以用于許多編程任務(wù)。因此，應(yīng)用程序員經(jīng)常被迫實(shí)現(xiàn)自己的更高級別的并發(fā)工具。這導(dǎo)致了巨大的重復(fù)工作。此外，眾所周知，這些設(shè)施難以正確，甚至更難以優(yōu)化。應(yīng)用程序員編寫的并發(fā)工具通常不正確或效率低下。提供一組標(biāo)準(zhǔn)的并發(fā)實(shí)用程序?qū)⒑喕帉懜鞣N多線程應(yīng)用程序的任務(wù)，并通?？梢蕴岣呤褂盟鼈兊膽?yīng)用程序的質(zhì)量。

4、為什么現(xiàn)有規(guī)范不滿足這種需求？

目前，開發(fā)人員只能使用Java語言本身提供的并發(fā)控制結(jié)構(gòu)。對于某些應(yīng)用程序來說，這些級別太低，而對其他應(yīng)用程序則不完整

5、請簡要介紹基礎(chǔ)技術(shù)或技術(shù)：

絕大多數(shù)軟件包將在低級Java構(gòu)造之上實(shí)現(xiàn)。但是，有一些關(guān)于原子性和監(jiān)視器的關(guān)鍵JVM /語言增強(qiáng)功能是獲得高效和正確語義所必需的。

6、API規(guī)范是否有建議的包名？（即javapi.something，org.something等）

java.util.concurrent中

7、建議的規(guī)范是否與您知道的特定操作系統(tǒng)，CPU或I/O設(shè)備有任何依賴關(guān)系？

只是間接地，因?yàn)樵诓煌脚_(tái)上運(yùn)行的JVM可能能夠以不同方式優(yōu)化某些構(gòu)造。

8、當(dāng)前的安全模型是否存在無法解決的安全問題？

沒有

9、是否存在國際化或本地化問題？

沒有

10、是否有任何現(xiàn)有規(guī)范可能因此工作而過時(shí)，棄用或需要修訂？

沒有

11、請描述制定本規(guī)范的預(yù)期時(shí)間表。

目標(biāo)是將此規(guī)范包含在J2SE 1.5（Tiger）的JSR中。

12、請描述致力于制定本規(guī)范的專家組的預(yù)期工作模式。

電子郵件，電話會(huì)議和不常見的會(huì)議。我們還將使用或創(chuàng)建一個(gè)開放的郵件列表，供專家組以外的其他感興趣的人討論。

解密LockSupport和Unsafe

前面說到AQS是并發(fā)包下的精髓所在，那么LockSupport和Unsafe就是整個(gè)JSR-166并發(fā)包的所有功能實(shí)現(xiàn)的靈魂，縱觀整個(gè)并發(fā)包下的代碼，無處不見LockSupport和Unsafe的身影。LockSupport提供了兩個(gè)關(guān)鍵方法，park和unpark，用來操作線程的阻塞和放行，功能可以類比Object的wait和notify，但是比這兩個(gè)api更靈活。下面是博主簡化了的實(shí)現(xiàn)（JDK中不是這樣的）

/**
   用于創(chuàng)建鎖和其他同步類的基本線程阻塞基礎(chǔ)類，提供基礎(chǔ)的線程控制功能。
 */
public class LockSupport {
    private LockSupport() {}
    /**
      解除park的阻塞，如果還沒阻塞，它對{@code park}的下一次調(diào)用將保證不會(huì)阻塞
     */
    public static void unpark(Thread thread) {
        if (thread != null) {
            UNSAFE.unpark(thread);
        }
    }
    /**
      阻塞當(dāng)前線程，除非先調(diào)用了unpark()方法。
     */
    public static void park() {
        UNSAFE.park(false, 0L);
    }

    //Hotspot implementation via intrinsics API
    private static final Unsafe UNSAFE;
    static {
        try {
            try {
                final PrivilegedExceptionAction action = new PrivilegedExceptionAction() {
                    @Override
                    public Unsafe run() throws Exception {
                        Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
                        theUnsafe.setAccessible(true);
                        return (Unsafe) theUnsafe.get(null);
                    }
                };
                UNSAFE = AccessController.doPrivileged(action);
            } catch (Exception e) {
                throw new RuntimeException("Unable to load unsafe", e);
            }
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }
}

有了park和unpark后，我們也可以這樣來實(shí)現(xiàn)Lock的功能，代碼如下，有了ConcurrentLinkedQueue加持后，就可以在基本的鎖的功能上，實(shí)現(xiàn)公平鎖的語義了。

/**
 * 簡版先進(jìn)先出的公平鎖實(shí)現(xiàn)
 * @author: kl @kailing.pub
 * @date: 2019/9/2
 */
public class FIFOMutex {
    private final AtomicBoolean locked = new AtomicBoolean(false);
    private final Queue waiters = new ConcurrentLinkedQueue<>();
    public void lock() {
        boolean wasInterrupted = false;
        Thread current = Thread.currentThread();
        waiters.add(current);
        // 在隊(duì)列中不是第一個(gè)或無法獲取鎖時(shí)阻塞
        while (waiters.peek() != current || !locked.compareAndSet(false, true)) {
            LockSupport.park(this);
            if (Thread.interrupted()) {
                wasInterrupted = true;
            }
        }
        waiters.remove();
        if (wasInterrupted) {
            current.interrupt();
        }
    }
    public void unlock() {
        locked.set(false);
        LockSupport.unpark(waiters.peek());
    }
}

神秘的Unsafe，JSR166增加了哪些內(nèi)容

心細(xì)的你可能發(fā)現(xiàn)了LockSupport最終還是基于Unsafe的park和unpark來實(shí)現(xiàn)的，Unsafe在JDK1.5之前就存在的，那JSR166后增加了哪些內(nèi)容呢？先來看下Unsafe是什么來頭。JDK源碼中是這樣描述的：一組用于執(zhí)行低層、不安全操作的方法。盡管該類和所有方法都是公共的，但是該類的使用受到限制，因?yàn)橹挥惺苄湃蔚拇a才能獲得該類的實(shí)例。如其名，不安全的，所以在JDK1.8后直接不提供源碼了，JDK中其他的代碼都可以在IDE中直接看到.java的文件，而Unsafe只有.class編譯后的代碼。因?yàn)閁nsafe是真的有黑魔法，可以直接操作系統(tǒng)級的資源，比如系統(tǒng)內(nèi)存、線程等。JDK不直接對外暴露Unsafe的api，如果直接在自己的應(yīng)用程序中像JDK中那么獲取Unsafe的實(shí)例，如：

private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();

會(huì)直接拋異常SecurityException("Unsafe")，正確的獲取方式如下：

    private static final Unsafe UNSAFE;
    static {
        try {
            try {
                final PrivilegedExceptionAction action = new PrivilegedExceptionAction() {
                    @Override
                    public Unsafe run() throws Exception {
                        Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
                        theUnsafe.setAccessible(true);
                        return (Unsafe) theUnsafe.get(null);
                    }
                };
                UNSAFE = AccessController.doPrivileged(action);
            } catch (Exception e) {
                throw new RuntimeException("Unable to load unsafe", e);
            }
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

其實(shí)，深入到Unsafe后，會(huì)發(fā)現(xiàn)深入不下去了，Unsafe中的方法是都是native標(biāo)記的本地方法，沒有實(shí)現(xiàn)，如：

    public native void unpark(Object var1);

    public native void park(boolean var1, long var2);

如果是在Windows下，最終調(diào)用的就是使用C++開發(fā)的最終編譯成.dll的包，所以只要看到C++相關(guān)的代碼就知道怎么回事了

  • JDK源碼下載地址：http://www.java.net/download/openjdk/jdk8/promoted/b132/openjdk-8-src-b132-03_mar_2014.zip

  • JDK源碼倉庫：http://hg.openjdk.java.net/

首先定位到Unsafe.cpp,文件位置在：openjdk\hotspot\src\share\vm\prims\Unsafe.cpp,會(huì)發(fā)現(xiàn)和JSR166相關(guān)的都有注釋，如：// These are the methods prior to the JSR 166 changes in 1.6.0。根據(jù)這些信息，得知JSR166在Unsafe中新增了五個(gè)方法，分別是compareAndSwapObject、compareAndSwapInt、compareAndSwapLong、park、unpark，這就是并發(fā)包中CAS原子操作和線程控制的核心所在了，并發(fā)包中的大部分功能都是基于他們來實(shí)現(xiàn)的。最后我們看下park和unpark的具體實(shí)現(xiàn)，在學(xué)校學(xué)的C語言丟的差不好多了，但是下面的代碼還語義還是很清晰的

// JSR166
// -------------------------------------------------------

/*
 * The Windows implementation of Park is very straightforward: Basic
 * operations on Win32 Events turn out to have the right semantics to
 * use them directly. We opportunistically resuse the event inherited
 * from Monitor.
 *
void Parker::park(bool isAbsolute, jlong time) {
  guarantee (_ParkEvent != NULL, "invariant") ;
  // First, demultiplex/decode time arguments
  if (time < 0) { // don't wait
    return;
  }
  else if (time == 0 && !isAbsolute) {
    time = INFINITE;
  }
  else if  (isAbsolute) {
    time -= os::javaTimeMillis(); // convert to relative time
    if (time <= 0) // already elapsed
      return;
  }
  else { // relative
    time /= 1000000; // Must coarsen from nanos to millis
    if (time == 0)   // Wait for the minimal time unit if zero
      time = 1;
  }

  JavaThread* thread = (JavaThread*)(Thread::current());
  assert(thread->is_Java_thread(), "Must be JavaThread");
  JavaThread *jt = (JavaThread *)thread;

  // Don't wait if interrupted or already triggered
  if (Thread::is_interrupted(thread, false) ||
    WaitForSingleObject(_ParkEvent, 0) == WAIT_OBJECT_0) {
    ResetEvent(_ParkEvent);
    return;
  }
  else {
    ThreadBlockInVM tbivm(jt);
    OSThreadWaitState osts(thread->osthread(), false /* not Object.wait() */);
    jt->set_suspend_equivalent();

    WaitForSingleObject(_ParkEvent,  time);
    ResetEvent(_ParkEvent);

    // If externally suspended while waiting, re-suspend
    if (jt->handle_special_suspend_equivalent_condition()) {
      jt->java_suspend_self();
    }
  }
}

void Parker::unpark() {
  guarantee (_ParkEvent != NULL, "invariant") ;
  SetEvent(_ParkEvent);
}

“Java中J.U.C并發(fā)包誕生分析”的內(nèi)容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識(shí)可以關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站，小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實(shí)用文章！


網(wǎng)站題目：Java中J.U.C并發(fā)包誕生分析
文章轉(zhuǎn)載：http://weahome.cn/article/jhohoe.html

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