java多线程(八)

14、对象锁

1. 对象锁
      所有对象都自动含有单一的锁。
     JVM负责跟踪对象被加锁的次数。如果一个对象被解锁，其计数变为0。在任务（线程）第一次给对象加锁的时候，计数变为1。每当这个相同的任务（线程）在此对象上获得锁时，计数会递增。
     只有首先获得锁的任务（线程）才能继续获取该对象上的多个锁。
     每当任务离开一个synchronized方法，计数递减，当计数为0的时候，锁被完全释放，此时别的任务就可以使用此资源。
2. 类锁
      对于同步静态方法/静态变量互斥体，由于一个class不论被实例化多少次，其中的静态方法和静态变量在内存中都只由一份。所以，一旦一个静态的方法被申明为synchronized。此类所有的实例化对象在调用此方法，共用同一把锁，我们称之为类锁。一旦一个静态变量被作为synchronized block的互斥体。进入此同步区域时，都要先获得此静态变量的对象锁。
      由上述同步静态方法引申出一个概念，那就是类锁。其实系统中并不存在什么类锁。当一个同步静态方法被调用时，系统获取的其实就是代表该类的类对象的对象锁

可以尝试用以下方式获取类锁
synchronized (xxx.class) {...} 
 
synchronized (Class.forName("xxx")) {...} 
       若要同时获取两种锁，同时获取类锁和对象锁是允许的，并不会产生任何问题，但使用类锁时一定要注意，一旦产生类锁的嵌套获取的话，就会产生死锁，因为每个class在内存中都只能生成一个Class实例对象。

synchronized和lock的区别:
      Lock 的锁定是通过代码实现的，而 synchronized 是在 JVM 层面上实现的。
      synchronized 在锁定时如果方法块抛出异常，JVM 会自动将锁释放掉，不会因为出了异常没有释放锁造成线程死锁。但是 Lock 的话就享受不到 JVM 带来自动的功能，出现异常时必须在 finally 将锁释放掉，否则将会引起死锁。
      在资源竞争不是很激烈的情况下，偶尔会有同步的情形下，synchronized是很合适的。原因在于，编译程序通常会尽可能的进行优化synchronize，另外可读性非常好，不管用没用过5.0多线程包的程序员都能理解。
      ReentrantLock:
      ReentrantLock提供了多样化的同步，比如有时间限制的同步，可以被Interrupt的同步（synchronized的同步是不能Interrupt的）等。在资源竞争不激烈的情形下，性能稍微比synchronized差点点。但是当同步非常激烈的时候，synchronized的性能一下子能下降好几十倍。而ReentrantLock确还能维持常态。
      Atomic:
      和上面的类似，不激烈情况下，性能比synchronized略逊，而激烈的时候，也能维持常态。激烈的时候，Atomic的性能会优于ReentrantLock一倍左右。但是其有一个缺点，就是只能同步一个值，一段代码中只能出现一个Atomic的变量，多于一个同步无效。因为他不能在多个Atomic之间同步。




15、死锁

所谓死锁，是指多个进程循环等待它方占有的资源而无限期地僵持下去的局面。很显然，如果没有外力的作用，那麽死锁涉及到的各个进程都将永远处于封锁状态。从上面的例子可以看出，计算机系统产生死锁的根本原因就是资源有限且操作不当。即：一种原因是系统提供的资源太少了，远不能满足并发进程对资源的需求。这种竞争资源引起的死锁是我们要讨论的核心。例如：消息是一种临时性资源。某一时刻，进程A等待进程B发来的消息，进程B等待进程C发来的消息，而进程C又等待进程A发来的消息。消息未到，A，B，C三个进程均无法向前推进，也会发生进程通信上的死锁。另一种原因是由于进程推进顺序不合适引发的死锁。资源少也未必一定产生死锁。就如同两个人过独木桥，如果两个人都要先过，在独木桥上僵持不肯后退，必然会应竞争资源产生死锁；但是，如果两个人上桥前先看一看有无对方的人在桥上，当无对方的人在桥上时自己才上桥，那麽问题就解决了。所以，如果程序设计得不合理，造成进程推进的顺序不当，也会出现死锁。

2.产生死锁的必要条件

  从以上分析可见，如果在计算机系统中同时具备下面四个必要条件时，那麽会发生死锁。换句话说，只要下面四个条件有一个不具备，系统就不会出现死锁。

    〈1〉互斥条件。即某个资源在一段时间内只能由一个进程占有，不能同时被两个或两个以上的进程占有。这种独占资源如CD-ROM驱动器，打印机等等，必须在占有该资源的进程主动释放它之后，其它进程才能占有该资源。这是由资源本身的属性所决定的。如独木桥就是一种独占资源，两方的人不能同时过桥。

    〈2〉不可抢占条件。进程所获得的资源在未使用完毕之前，资源申请者不能强行地从资源占有者手中夺取资源，而只能由该资源的占有者进程自行释放。如过独木桥的人不能强迫对方后退，也不能非法地将对方推下桥，必须是桥上的人自己过桥后空出桥面（即主动释放占有资源），对方的人才能过桥。

    〈3〉占有且申请条件。进程至少已经占有一个资源，但又申请新的资源；由于该资源已被另外进程占有，此时该进程阻塞；但是，它在等待新资源之时，仍继续占用已占有的资源。还以过独木桥为例，甲乙两人在桥上相遇。甲走过一段桥面（即占有了一些资源），还需要走其余的桥面（申请新的资源），但那部分桥面被乙占有（乙走过一段桥面）。甲过不去，前进不能，又不后退；乙也处于同样的状况。

    〈4〉循环等待条件。存在一个进程等待序列{P1，P2，...，Pn}，其中P1等待P2所占有的某一资源，P2等待P3所占有的某一源，......，而Pn等待P1所占有的的某一资源，形成一个进程循环等待环。就像前面的过独木桥问题，甲等待乙占有的桥面，而乙又等待甲占有的桥面，从而彼此循环等待。

  上面我们提到的这四个条件在死锁时会同时发生。也就是说，只要有一个必要条件不满足，则死锁就可以排除。

死锁的预防

1.安全序列

  我们首先引入安全序列的定义：所谓系统是安全的，是指系统中的所有进程能够按照某一种次序分配资源，并且依次地运行完毕，这种进程序列{P1，P2，...，Pn}就是安全序列。如果存在这样一个安全序列，则系统是安全的；如果系统不存在这样一个安全序列，则系统是不安全的。

  安全序列{P1，P2，...，Pn}是这样组成的：若对于每一个进程Pi，它需要的附加资源可以被系统中当前可用资源加上所有进程Pj当前占有资源之和所满足，则{P1，P2，...，Pn}为一个安全序列，这时系统处于安全状态，不会进入死锁状态。 　

  虽然存在安全序列时一定不会有死锁发生，但是系统进入不安全状态（四个死锁的必要条件同时发生）也未必会产生死锁。当然，产生死锁后，系统一定处于不安全状态。

2.银行家算法

  这是一个著名的避免死锁的算法，是由Dijstra首先提出来并加以解决的。　

  [背景知识]

  一个银行家如何将一定数目的资金安全地借给若干个客户，使这些客户既能借到钱完成要干的事，同时银行家又能收回全部资金而不至于破产，这就是银行家问题。这个问题同操作系统中资源分配问题十分相似：银行家就像一个操作系统，客户就像运行的进程，银行家的资金就是系统的资源。

  [问题的描述]

  一个银行家拥有一定数量的资金，有若干个客户要贷款。每个客户须在一开始就声明他所需贷款的总额。若该客户贷款总额不超过银行家的资金总数，银行家可以接收客户的要求。客户贷款是以每次一个资金单位（如1万RMB等）的方式进行的，客户在借满所需的全部单位款额之前可能会等待，但银行家须保证这种等待是有限的，可完成的。

  例如：有三个客户C1，C2，C3，向银行家借款，该银行家的资金总额为10个资金单位，其中C1客户要借9各资金单位，C2客户要借3个资金单位，C3客户要借8个资金单位，总计20个资金单位。某一时刻的状态如图所示。






对于a图的状态，按照安全序列的要求，我们选的第一个客户应满足该客户所需的贷款小于等于银行家当前所剩余的钱款，可以看出只有C2客户能被满足：C2客户需1个资金单位，小银行家手中的2个资金单位，于是银行家把1个资金单位借给C2客户，使之完成工作并归还所借的3个资金单位的钱，进入b图。同理，银行家把4个资金单位借给C3客户，使其完成工作，在c图中，只剩一个客户C1，它需7个资金单位，这时银行家有8个资金单位，所以C1也能顺利借到钱并完成工作。最后（见图d）银行家收回全部10个资金单位，保证不赔本。那麽客户序列{C1，C2，C3}就是个安全序列，按照这个序列贷款，银行家才是安全的。否则的话，若在图b状态时，银行家把手中的4个资金单位借给了C1，则出现不安全状态：这时C1，C3均不能完成工作，而银行家手中又没有钱了，系统陷入僵持局面，银行家也不能收回投资。

  综上所述，银行家算法是从当前状态出发，逐个按安全序列检查各客户谁能完成其工作，然后假定其完成工作且归还全部贷款，再进而检查下一个能完成工作的客户，......。如果所有客户都能完成工作，则找到一个安全序列，银行家才是安全的。

  从上面分析看出，银行家算法允许死锁必要条件中的互斥条件，占有且申请条件，不可抢占条件的存在，这样，它与预防死锁的几种方法相比较，限制条件少了，资源利用程度提高了。

这是该算法的优点。其缺点是：

   〈1〉这个算法要求客户数保持固定不变，这在多道程序系统中是难以做到的。  

   〈2〉这个算法保证所有客户在有限的时间内得到满足，但实时客户要求快速响应，所以要考虑这个因素。 

    〈3〉由于要寻找一个安全序列，实际上增加了系统的开销。