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「BUAA OO Unit 2」 多线程分享

Posted by saltyfishyjk on 2022-04-16
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「BUAA OO Unit 2」 多线程分享

Part 0 前言

第六周研讨课，笔者依旧准备了讲稿和分享，但是没有选上，在这里和大家分享。

Part 1 如何在Java中进行多线程编程

三种使用线程的方法

继承Thread

需要继承Thread类，并重写run方法，调用start()启动线程。

实现Runnable

需要实现run方法，通过Thread调用start()启动线程。在这里我们更推荐使用实现Runnable而非继承Thread，因为这样可以让我们的类继承其他类，而Java单继承的特性意味着继承了Thread则不能继承其他类。

实现Callable

这个方法在本课程中没有多介绍，此处暂不展开。

对象头、锁和同步

对象实例结构

Java的实例对象储存在Heap中，其结构如上图示。

锁和同步

如上图示，对象头部分储存的信息包含最近持有该对象锁的线程ID。我们分为两个角度介绍锁，以下首先从代码形式介绍。

我们使用的synchronized包含三种情况，分别是：

  1. 修饰实例方法： 作用于当前对象实例加锁，进入同步代码前要获得当前对象实例的锁

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    synchronized void method() {
      // CODE
    }

  2. 修饰静态方法：给当前类加锁，会作用于类的所有对象实例，进入同步代码前要获得当前 class 的锁。

    class信息存储在method area中。

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    synchronized void staic method() {
      // TODO
    }

  3. 修饰代码块：指定加锁对象，对给定对象/类加锁。synchronized(this|object) 表示进入同步代码库前要获得给定对象的锁。synchronized(类.class) 表示进入同步代码前要获得 当前 class 的锁

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    synchronized(this) {
      // TODO
    }

上面的第一种介绍中主要侧重了从代码模板上的三种形式，对于谁获得了锁，获得了谁的锁可能表述的不是非常清晰，以下从对象锁和类锁进行第二个角度的归类。

对象锁

包括方法锁(默认锁对象为this,当前实例对象)和同步代码块锁(自己指定锁对象)。

方法锁形式

synchronized修饰普通实例方法，锁对象默认为this

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public synchronized void method() {
    // CODE
}
代码块形式

手动指定锁定对象，可以是this，也可以是其他对象

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synchronized (obj) { // obj可以为this或其他对象
    // CODE
}

类锁

指synchronized修饰静态的方法或指定锁对象为Class对象。这种情况下，所有对象共用一把锁。

静态方法形式
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public static synchronized void method() {
    // TODO
}
代码块形式
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synchronized (classA.class) {
    // TODO 
}

调试可用技巧

  1. jprofiler
  2. setName()设置线程名
  3. IDEA debug ： https://www.bilibili.com/video/BV1Hf4y1t77J?from=search&seid=11484063781420021590&spm_id_from=333.337.0.0

Part 2 如何合理使用同步锁

在我们的代码中，主要使用synchronized进行同步，其代码结构在上一个部分已经介绍过，以下介绍如何合理使用。

以生产者-消费者模型为例，我们的共享数据是托盘，其中生产者向其中put，消费者从其中get，这两个操作是互斥的，分别加锁表示只有put/get结束，这个对象才可以被继续访问。更一般化来讲，对于共享资源的读写，我们使其互斥，保证了数据的唯一性和安全性。

再以官方输出包为例，官方输出包类似打印机，我们希望同一时刻只有一台打印机在进行一个打印操作，因此，我们将官方输出包的打印操作封装为同步方法，保证了其安全，避免了时间戳错位的可能。

与同步一起的重要操作还有wait、sleep和notifyAll()（notify()）。以生产者-消费者模型举例，当我们的消费者需要托盘中的产品时，如果没有，那么需要其进入wait或sleep进行等待，而非时刻占用CPU资源进行轮询。这时，如果我们的托盘中来了新商品，则需要其对消费者notifyAll()唤醒。更一般化来讲，我们将信使操作交给共享对象负责，由共享对象根据自己状态的变化来唤醒相关线程，节约了CPU资源。

多线程的本意是想尽可能地提高效率，而加锁是一种降低效率确保安全的行为，因此，我们希望尽可能的划分清楚共享对象/类和其中需要加锁的资源，尽可能减少加锁对线程效率的伤害，即，对于不涉及共享资源的操作，我们不设置其为同步的，以提高效率。

Part 3 在多线程进行架构设计及其具体在第一次作业中的体现

多线程问题丰富多样，我们以生产者-消费者模型为例窥得多线程下架构设计的一角。

以第一次作业为例，我们的生产者为输入线程InputThread，托盘（共享对象）为候乘表WaitTable，消费者为电梯Elevator。为了简化描述，我们在这里略去了调度器。

InputThread获得标准输入，调用WaitTable的put方法置入新的passenger；当输入为空时，调用WaitTable的setEnd方法作为标志信号，提示输入结束，条件允许时可以结束。值得注意的是，我们在这里并没有涉及电梯如何操作，输入线程作为生产者不关心消费者的行为。

Elevator自行运行，执行开关门和上下行的操作。在电梯停放在某层时，根据自身是否为空检索本层或所有楼层的WaitTable中的passenger，对于满足条件的passenger，调用WaitTable的get方法，将其从WaitTable转移到电梯内。这里的接客策略由电梯或额外的调度器提供支持，需要WaitTable提供的只有get的服务。当WaitTable为空且没有结束时，电梯挂起，等待WaitTable中获取新passenger时唤醒。当WaitTablel为空且输入结束，电梯内部送客结束，结束线程。

WaitTable作为共享对象，对外提供get和put方法，并且根据设计的完善和一致性，在这样的同步方法内都提供notifyAll，唤醒相关线程。作为信使，其还提供setEnd()和isEnd()方法，让输入结束的讯号通过这个共享对象传递。

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