阻塞队列--线程安全问题

news2024/12/26 10:46:43

之前的队列在很多场景下都不能很好地工作，例如

  1. 大部分场景要求分离向队列放入（生产者：主要调用offer方法）、从队列拿出（消费者：主要调用poll方法）两个角色、它们得由不同的线程来担当，而之前的实现根本没有考虑线程安全问题

  2. 队列为空，那么在之前的实现里会返回 null，如果就是硬要拿到一个元素呢？只能不断循环尝试

  3. 队列为满，那么再之前的实现里会返回 false，如果就是硬要塞入一个元素呢？只能不断循环尝试

因此我们需要解决的问题有

  1. 用锁保证线程安全

  2. 用条件变量让等待非空线程与等待不满线程进入等待状态，而不是不断循环尝试，让 CPU 空转

有同学对线程安全还没有足够的认识，下面举一个反例，两个线程都要执行入队操作（几乎在同一时刻）

public class TestThreadUnsafe {
    private final String[] array = new String[10];
    private int tail = 0;

    public void offer(String e) {
        array[tail] = e;
        tail++;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return Arrays.toString(array);
    }

    public static void main(String[] args) {
        TestThreadUnsafe queue = new TestThreadUnsafe();
        new Thread(()-> queue.offer("e1"), "t1").start();
        new Thread(()-> queue.offer("e2"), "t2").start();
    }
}

注意IDEA调试设置：

执行的时间序列如下，假设初始状态 tail = 0，在执行过程中由于 CPU 在两个线程之间切换，造成了指令交错

糟糕的是，由于指令交错的顺序不同，得到的结果不止以上一种，宏观上造成混乱的效果

单锁实现

Java 中要防止代码段交错执行，需要使用锁，有两种选择

  • synchronized 代码块，属于关键字级别提供锁保护，功能少

  • ReentrantLock（可重入锁） 类，功能丰富

以 ReentrantLock 为例

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();//锁对象

public void offer(String e) {
    //lock.lock();  //加锁
    lock.lockInterruptibly();//加锁 记得要抛异常
    try {
        array[tail] = e;
        tail++;
    } finally {  
        //利用try-finally:为了防止当我们try{}内有异常，那么我们的lock.unlock()解锁操作就没办法执行，所以我们要保证即使出现异常也要执行解锁操作
        lock.unlock();//解锁
    }
}

lock()与lockInterruptibly()的区别：

使用lock():当t1加锁状态，未解锁时，t2必须等待

使用lockInterruptibly()：当t1加锁状态，未解锁时，但t1处于异常导致无法解锁的时候，t2可以在阻塞状态下随时打断t1的锁

只要两个线程执行上段代码时，锁对象是同一个，就能保证 try 块内的代码的执行不会出现指令交错现象，即执行顺序只可能是下面两种情况之一

  • 另一种情况是线程2 先获得锁，线程1 被挡在外面

  • 要明白保护的本质，本例中是保护的是 tail 位置读写的安全

事情还没有完，上面的例子是队列还没有放满的情况，考虑下面的代码（这回锁同时保护了 tail 和 size 的读写安全）

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
int size = 0;//判断队列是否满了

public void offer(String e) {
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        if(isFull()) {
            // 满了怎么办?
        }
        array[tail] = e;
        //tail++;
        //防止tail长度溢出
        if (++tail == array.length) {
                tail = 0;
        }
        size++;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

private boolean isFull() {
    return size == array.length;
}

之前是返回 false 表示添加失败，前面分析过想达到这么一种效果：

  • 在队列满时，不是立刻返回，而是当前线程进入等待

  • 什么时候队列不满了，再唤醒这个等待的线程，从上次的代码处继续向下运行

ReentrantLock 可以配合条件变量来实现，代码进化为

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Condition tailWaits = lock.newCondition(); // 条件变量
int size = 0;

public void offer(String e) {
    lock.lockInterruptibly();
    try {
        while (isFull()) {
            tailWaits.await();	// 当队列满时, 当前线程进入 tailWaits 等待,当前线程加入tailWaits,并且让此线程阻塞
        }
        array[tail] = e;
        //tail++;
        //防止tail长度溢出
        if (++tail == array.length) {
                tail = 0;
        }
        size++;
    } finally {
         //利用try-finally:为了防止当我们try{}内有异常，那么我们的lock.unlock()解锁操作就没办法执行，所以我们要保证即使出现异常也要执行解锁操作
        lock.unlock();
    }
}

private boolean isFull() {
    return size == array.length;
}

  • 条件变量底层也是个队列，用来存储这些需要等待的线程，当队列满了，就会将 offer 线程加入条件队列，并暂时释放锁

  • 将来我们的队列如果不满了（由 poll 线程那边得知）可以调用 tailWaits.signal() 来唤醒 tailWaits 中首个等待的线程，被唤醒的线程会再次抢到锁，从上次 await 处继续向下运行

思考为何要用 while 而不是 if，设队列容量是 3

关键点：

  • 从 tailWaits 中唤醒的线程，会与新来的 offer 的线程争抢锁，谁能抢到是不一定的，如果后者先抢到，就会导致条件又发生变化

  • 这种情况称之为虚假唤醒，唤醒后应该重新检查条件，看是不是得重新进入等待

最后的实现代码：

接口：

/**
 目前队列存在的问题
 <ol>
    <li>很多场景要求<b>分离</b>生产者、消费者两个<b>角色</b>、它们得由不同的线程来担当，而之前的实现根本没有考虑线程安全问题</li>
    <li>队列为空，那么在之前的实现里会返回 null，如果就是硬要拿到一个元素呢？只能不断循环尝试</li>
    <li>队列为满，那么再之前的实现里会返回 false，如果就是硬要塞入一个元素呢？只能不断循环尝试</li>
 </ol>

 解决方法
 <ol>
     <li>用锁保证线程安全</li>
     <li>用条件变量让 poll 或 offer 线程进入<b>等待</b>状态，而不是不断循环尝试，让 CPU 空转</li>
 </ol>
 */

public interface BlockingQueue<E> { // 阻塞队列

    void offer(E e) throws InterruptedException;

    boolean offer(E e, long timeout) throws InterruptedException;

    E poll() throws InterruptedException;
}

实现：

/**
 * 单锁实现
 * @param <E> 元素类型
 */
public class BlockingQueue1<E> implements BlockingQueue<E> {
    private final E[] array;
    private int head = 0;
    private int tail = 0;
    private int size = 0; // 元素个数 判断队列是否满了

    @SuppressWarnings("all")
    public BlockingQueue1(int capacity) {
        array = (E[]) new Object[capacity];
    }

    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    Condition tailWaits = lock.newCondition();//用于poll方法中
    Condition headWaits = lock.newCondition();//用于offer方法中

    @Override
    public void offer(E e) throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (isFull()) {
                tailWaits.await();
            }
            array[tail] = e;
            //tail++;
        	//防止tail长度溢出
            if (++tail == array.length) {
                tail = 0;
            }
            size++;
            //poll方法那边等待队列非空,那么我们就要唤醒poll方法的等待
            headWaits.signal();
        } finally {
             //利用try-finally:为了防止当我们try{}内有异常，那么我们的lock.unlock()解锁操作就没办法执行，所以我们要保证即使出现异常也要执行解锁操作
            lock.unlock();
        }
    }

    @Override
    //对于上面的Offer方法，我们又多了个选择：
    //我们确实可以等待该线程被唤醒,但是要等多久呢？如果我们不需要等那么久，那就可以给这个等待加一个时间上限
    //在规定时间内，我可以等待，但是超过了这个时间，还没有人来唤醒我，那我就不等了，直接提取结束这个等待,可以返回一个false，表示我添加失败
    public void offer(E e, long timeout) throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            long t = TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeout);
            
            while (isFull()) {
                //在规定时间内，我可以等待，但是超过了这个时间，还没有人来唤醒我，那我就不等了，直接提取结束这个等待,可以返回一个false，表示我添加失败
                if (t <= 0) {
                    return;
                }
                t = tailWaits.awaitNanos(t);//最多等待多少纳秒
            }
            array[tail] = e;
            //tail++;
            //防止tail长度溢出
            if (++tail == array.length) {
                tail = 0;
            }
            size++;
            headWaits.signal();
        } finally {
             //利用try-finally:为了防止当我们try{}内有异常，那么我们的lock.unlock()解锁操作就没办法执行，所以我们要保证即使出现异常也要执行解锁操作
            lock.unlock();
        }
    }

    @Override
    public E poll() throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            //如果队列为空,我们就要让该线程等待，直到offer方法中headWaits.signal();将其唤醒
            while (isEmpty()) {
                headWaits.await();
            }
            E e = array[head];
            array[head] = null; // help GC
            if (++head == array.length) {
                head = 0;
            }
            size--;
            //offer方法那边等待队列非空,那么我们就要唤醒offer方法的等待
            tailWaits.signal();
            return e;
        } finally {
             //利用try-finally:为了防止当我们try{}内有异常，那么我们的lock.unlock()解锁操作就没办法执行，所以我们要保证即使出现异常也要执行解锁操作
            lock.unlock();
        }
    }

    private boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    private boolean isFull() {
        return size == array.length;
    }
}

注意

  • JDK 中 BlockingQueue 接口的方法命名与我的示例有些差异

    • 方法 offer(E e) 是非阻塞的实现，阻塞实现方法为 put(E e)

    • 方法 poll() 是非阻塞的实现，阻塞实现方法为 take()

双锁实现

单锁的缺点在于：

  • 生产和消费几乎是不冲突的，唯一冲突的是生产者和消费者它们有可能同时修改 size

  • 冲突的主要是生产者之间：多个 offer 线程修改 tail

  • 冲突的还有消费者之间：多个 poll 线程修改 head

如果希望进一步提高性能，可以用两把锁

  • 一把锁保护 tail

  • 另一把锁保护 head

ReentrantLock headLock = new ReentrantLock();  // 保护 head 的锁
Condition headWaits = headLock.newCondition(); // 队列空时，需要等待的线程集合

ReentrantLock tailLock = new ReentrantLock();  // 保护 tail 的锁
Condition tailWaits = tailLock.newCondition(); // 队列满时，需要等待的线程集合

先看看 offer 方法的初步实现

@Override
public void offer(E e) throws InterruptedException {
    tailLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 队列满则等待
        while (isFull()) {
            tailWaits.await();
        }
        
        // 不满则入队
        array[tail] = e;
        if (++tail == array.length) {
            tail = 0;
        }
        
        // 修改 size （有问题）
        size++;
        
    } finally {
        tailLock.unlock();
    }
}

上面代码的缺点是 size 并不受 tailLock 保护，tailLock 与 headLock 是两把不同的锁，并不能实现互斥的效果。因此，size 需要用下面的代码保证原子性

此时，你会有疑问：size++,它不就是写在一个锁对象的加锁与解锁操作之间吗？那它怎么就是线程不安全的呢？

答：注意：我们这个size++,它确实能够受到我们tailLock这把锁的保护,但是对所有使用tailLock锁的线程让他们串行执行，也就是将来调用所有offer方法的线程，它们是不是都在使用tailLock这把锁，也就是说，只有各种线程在调用offer方法时,size++会受到保护，但是如果是headLock 这个锁，这个锁是由poll方法调用，这就和“只有各种线程在调用offer方法时,size++会受到保护”同一个道理，但是如果这两个锁串着用size++就不受保护，因为现在是使用了两把锁。

AtomicInteger size = new AtomicInteger(0);	   // 保护 size 的原子变量

size.getAndIncrement(); // 自增
size.getAndDecrement(); // 自减

代码修改为

@Override
public void offer(E e) throws InterruptedException {
    tailLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 队列满等待
        while (isFull()) {
            tailWaits.await();
        }
        
        // 不满则入队
        array[tail] = e;
        if (++tail == array.length) {
            tail = 0;
        }
        
        // 修改 size
        size.getAndIncrement();//相当于size++  可以防止不会与其他线程产生这种指令交错的问题
        
    } finally {
        tailLock.unlock();
    }
}

对称地，可以写出 poll 方法

@Override
public E poll() throws InterruptedException {
    E e;
    headLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 队列空等待
        while (isEmpty()) {
            headWaits.await();
        }
        
        // 不空则出队
        e = array[head];
        if (++head == array.length) {
            head = 0;
        }
        
        // 修改 size
        size.getAndDecrement();//相当于size++  可以防止不会与其他线程产生这种指令交错的问题
        
    } finally {
        headLock.unlock();
    }
    return e;
}

下面来看一个难题，就是如何通知 headWaits 和 tailWaits 中等待的线程，比如 poll 方法拿走一个元素，通知 tailWaits：我拿走一个，不满了噢，你们可以放了，因此代码改为

@Override
public E poll() throws InterruptedException {
    E e;
    headLock.lockInterruptibly();
    try {
        // 队列空等待
        while (isEmpty()) {
            headWaits.await();
        }
        
        // 不空则出队
        e = array[head];
        if (++head == array.length) {
            head = 0;
        }
        
        // 修改 size
        size.getAndDecrement();
        
        // 通知 tailWaits 不满（有问题）
        tailWaits.signal();
        
    } finally {
        headLock.unlock();
    }
    return e;
}

那有同学说，加上锁不就行了吗，于是写出了下面的代码

发现什么问题了？两把锁这么嵌套使用，非常容易出现死锁，如下所示

因此得避免嵌套，两段加锁的代码变成了下面平级的样子

性能还可以进一步提升

  1. 代码调整后 offer 并没有同时获取 tailLock 和 headLock 两把锁，因此两次加锁之间会有空隙，这个空隙内可能有其它的 offer 线程添加了更多的元素，那么这些线程都要执行 signal()，通知 poll 线程队列非空吗？

  • 每次调用 signal() 都需要这些 offer 线程先获得 headLock 锁，成本较高，要想法减少 offer 线程获得 headLock 锁的次数

  • 可以加一个条件：当 offer 增加前队列为空，即从 0 变化到不空，才由此 offer 线程来通知 headWaits，其它情况不归它管

  • 队列从 0 变化到不空，会唤醒一个等待的 poll 线程，这个线程被唤醒后，肯定能拿到 headLock 锁，因此它具备了唤醒 headWaits 上其它 poll 线程的先决条件。如果检查出此时有其它 offer 线程新增了元素（不空，但不是从0变化而来），那么不妨由此 poll 线程来唤醒其它 poll 线程

这个技巧被称之为级联通知（cascading notifies），类似的原因:

     在 poll 时队列从满变化到不满，才由此 poll 线程来唤醒一个等待的 offer 线程，目的也是为了减少 poll 线程对 tailLock 上锁次数，剩下等待的 offer 线程由这个 offer 线程间接唤醒

最终的代码为

public class BlockingQueue2<E> implements BlockingQueue<E> {

    private final E[] array;
    private int head = 0;
    private int tail = 0;
    private final AtomicInteger size = new AtomicInteger(0);
    ReentrantLock headLock = new ReentrantLock();
    Condition headWaits = headLock.newCondition();
    ReentrantLock tailLock = new ReentrantLock();
    Condition tailWaits = tailLock.newCondition();

    public BlockingQueue2(int capacity) {
        this.array = (E[]) new Object[capacity];
    }

    @Override
    public void offer(E e) throws InterruptedException {
        int c;
        tailLock.lockInterruptibly();
        try {
            while (isFull()) {
                tailWaits.await();
            }
            array[tail] = e;
            if (++tail == array.length) {
                tail = 0;
            }            
            c = size.getAndIncrement();//相当于size++  可以防止不会与其他线程产生这种指令交错的问题
            // a. 队列不满, 但不是从满->不满, 由此offer线程唤醒其它offer线程
            if (c + 1 < array.length) {
                tailWaits.signal();
            }
        } finally {
            tailLock.unlock();
        }
        // b. 从0->不空, 由此offer线程唤醒等待的poll线程
        if (c == 0) {
            headLock.lock();
            try {
                headWaits.signal();
            } finally {
                headLock.unlock();
            }
        }
    }

    @Override
    public E poll() throws InterruptedException {
        E e;
        int c;
        headLock.lockInterruptibly();
        try {
            while (isEmpty()) {
                headWaits.await(); 
            }
            e = array[head]; 
            if (++head == array.length) {
                head = 0;
            }
            c = size.getAndDecrement();//相当于size++  可以防止不会与其他线程产生这种指令交错的问题
            // b. 队列不空, 但不是从0变化到不空，由此poll线程通知其它poll线程
            if (c > 1) {
                headWaits.signal();
            }
        } finally {
            headLock.unlock();
        }
        // a. 从满->不满, 由此poll线程唤醒等待的offer线程
        if (c == array.length) {
            tailLock.lock();
            try {
                tailWaits.signal();
            } finally {
                tailLock.unlock();
            }
        }
        return e;
    }

    private boolean isEmpty() {
        return size.get() == 0;
    }

    private boolean isFull() {
        return size.get() == array.length;
    }

}

双锁实现的非常精巧，据说作者 Doug Lea 花了一年的时间才完善了此段代码

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云安全之等级保护详解

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等级保护概念 网络安全等级保护&#xff0c;是对信息系统分等级实行安全保护&#xff0c;对信息系统中使用的安全产品实行按等级管理&#xff0c;对信息系统中发生的信息安全事件分等级进行响应、处置。 网络安全等级保护的核心内容是&#xff1a;国家制定统一的政策、标准&a…
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【ldt_struct】0ctf2021-kernote

【ldt_struct】0ctf2021-kernote

前言 题目给的文件系统是 ext4&#xff0c;所以我们只需要将其挂载即可使用&#xff1a; 1、创建一个空目录 2、使用 mount 将其挂载即可 3、使用 umount 卸载即可完成打包 开启了 smap、smep、kaslr 和 kpti 保护&#xff0c;并且给了如下内核编译选项&#xff1a; Her…
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SpringBoot大文件上传实现分片、断点续传

SpringBoot大文件上传实现分片、断点续传

大文件上传流程 客户端计算文件的哈希值&#xff0c;客户端将哈希值发送给服务端&#xff0c;服务端检查数据库或文件系统中是否已存在相同哈希值的文件&#xff0c;如果存在相同哈希值的文件&#xff0c;则返回秒传成功结果&#xff0c;如果不存在相同哈希值的文件&#xff0…
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GO 中的指针？

GO 中的指针？

本文也主要聊聊在 GO 中的指针和内存&#xff0c;希望对你有点帮助 如果你学习过 C 语言&#xff0c;你就非常清楚指针的高效和重要性 使用 GO 语言也是一样&#xff0c;项目代码中&#xff0c;不知道你是否会看到函数参数中会传递各种 map&#xff0c;slice &#xff0c;自定…
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使用正则表达式批量修改函数

使用正则表达式批量修改函数

贪心匹配&#xff0c;替换中的$1代表括号中的第一组。 使用[\s\S\r]代表所有字符&#xff0c;同时加个问号代表不贪心匹配:
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【RP-RV1126】烧录固件使用记录

【RP-RV1126】烧录固件使用记录

文章目录 烧录完整固件进入MASKROM模式固件烧录升级中&#xff1a;升级完成&#xff1a; 烧录部分进入Loader模式选择文件切换loader模式 烧录完整固件 完整固件就是update.img包含了所有的部件&#xff0c;烧录后可以直接运行。 全局编译&#xff1a;./build.sh all生成固件…
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Java数据结构————优先级队列（堆）

Java数据结构————优先级队列（堆）

一 、 优先级队列 有些情况下&#xff0c;操作的数据可能带有优先级&#xff0c; 一般出队列时&#xff0c;可能需要优先级高的元素先出队列。 数据结构应该提供两个最基本的操作&#xff0c; 一个是返回最高优先级对象&#xff0c; 一个是添加新的对象。 这种数据结构就是优…
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（一）正点原子STM32MP135移植——准备

（一）正点原子STM32MP135移植——准备

一、简述 使用板卡&#xff1a;正点原子的ATK-DLMP135 V1.2 从i.mx6ull学习完过来&#xff0c;想继续学习一下移植uboot和内核的&#xff0c;但是原子官方没有MP135的移植教程&#xff0c;STM32MP157的移植教程用的又是老版本的代码&#xff0c;ST官方更新后的代码不兼容老版本…
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微信小程序button按钮去除边框去除背景色

微信小程序button按钮去除边框去除背景色

button边框 去除button边框 在button上添加plain“true”在css中添加button.avatar-wrapper {background: none}用于去除button背景色在css中添加button.avatar-wrapper[plain]{ border:0 }用于去除button边框
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数组结构与算法

数组结构与算法

文章目录 数据结构与算法稀疏数组sparse队列单向链表双向链表单向环形列表&#xff1a;CircleSingleLinkedList栈递归排序算法快速排序思路 树赫夫曼树 &#xff08;HuffmanTree&#xff09;二叉排序树&#xff08;Binary sort tree&#xff09;构建二叉树遍历二叉树 平衡二叉树…
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Doris数据库BE——冷热数据方案

Doris数据库BE——冷热数据方案

新的冷热数据方案是在整合了存算分离模型的基础上建立的&#xff0c;其核心思路是&#xff1a;DORIS本地存储作为热数据的载体&#xff0c;而外部集群&#xff08;HDFS、S3等&#xff09;作为冷数据的载体。数据在导入的过程中&#xff0c;先作为热数据存在&#xff0c;存储于B…
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[架构之路-228]：计算机硬件与体系结构 - 硬盘存储结构原理：如何表征0和1，即如何存储0和1，如何读数据，如何写数据（修改数据）

[架构之路-228]：计算机硬件与体系结构 - 硬盘存储结构原理：如何表征0和1，即如何存储0和1，如何读数据，如何写数据（修改数据）

目录 前言&#xff1a; 一、磁盘的盘面组成 1.1 磁盘是什么 ​编辑1.2 磁盘存储介质 1.3 磁盘数据的组织 1.3.1 分层组织&#xff1a;盘面号 1.3.2 扇区和磁道 1.3.3 数据 1.3.4 磁盘数据0和1的存储方式 1.3.5 磁盘数据0和1的修正方法 1.3.6 磁盘数据0和1的读 二、…
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一键AI高清换脸——基于InsightFace、CodeFormer实现高清换脸与验证换脸后效果能否通过人脸比对、人脸识别算法

一键AI高清换脸——基于InsightFace、CodeFormer实现高清换脸与验证换脸后效果能否通过人脸比对、人脸识别算法

前言 AI换脸是指利用基于深度学习和计算机视觉来替换或合成图像或视频中的人脸。可以将一个人的脸替换为另一个人的脸，或者将一个人的表情合成到另一个人的照片或视频中。算法常常被用在娱乐目上，例如在社交媒体上创建有趣的照片或视频，也有用于电影制作、特效制作、人脸编…
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华为云云耀云服务器L实例评测｜Ubuntu云锁防火墙安装搭建使用

华为云云耀云服务器L实例评测｜Ubuntu云锁防火墙安装搭建使用

华为云云耀云服务器L实例评测&#xff5c;Ubuntu安装云锁防火墙对抗服务器入侵和网络攻击 1.前言概述 华为云耀云服务器L实例是新一代开箱即用、面向中小企业和开发者打造的全新轻量应用云服务器。多种产品规格&#xff0c;满足您对成本、性能及技术创新的诉求。云耀云服务器L…
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【VUE·疑难问题】定义 table 中每行的高度（使用 element-UI）

【VUE·疑难问题】定义 table 中每行的高度（使用 element-UI）

一、如何定义 table 中每一行的 height &#xff1f; 1.table例子 <!-- 二、table --><div style"overflow: hidden;display: block;height: 68vh;width: 100%;"><el-table stripe show-header style"width: 100%" :data"tableData&q…
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