Thread和goroutine两种方式怎样实现共享变量按序输出
这期内容当中小编将会给大家带来有关Thread和goroutine两种方式怎样实现共享变量按序输出,文章内容丰富且以专业的角度为大家分析和叙述,阅读完这篇文章希望大家可以有所收获。
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背景
最近在看go的一些底层实现,其中印象最为深刻的是go语言创造者之一Rob Pike说过的一句话,不要通过共享内存通信,而应该通过通信来共享内存,其中这后半句话对应的实现是通道(channel),利用通道在多个协程(goroutine)之间传递数据。看到这里,我不禁产生了一个疑问,对于无状态数据之间的传递,通过通道保证数据之间并发安全没什么问题,但我现在有一个临界区或者共享变量,存在多线程并发访问。Go协程如何控制数据并发安全性?难道还有其它高招?带着这个疑问,我们看看Go是如何保证临界区共享变量并发访问问题。
下面我们通过一个经典的题目来验证线程和协程分别是如何解决的。
有三个线程/协程完成如下任务:1线程/协程打印1,2线程/协程打印2,3线程/协程打印3,依次交替打印15次。输出:123123123123123
java实现
java对于这个问题如何解决呢?首先要求依次输出,那么只要保证线程互相等待或者说步调一致即可实现上述问题。
如何实现步调一致呢?我知道的方法至少有三种,以下我通过三种实现方式来介绍Java线程是如何控制临界区共享变量并发访问。
Synchronized实现
通过Synchronized解决互斥问题; (wait/notifyAll)等待-通知机制控制多个线程之间执行节奏。实现方式如下:
public class Thread123 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread123 testABC = new Thread123();
Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
testABC.printA();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
testABC.printB();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
Thread thread3 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
testABC.printC();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
thread1.start();
thread2.start();
thread3.start();
thread1.join();
thread2.join();
thread3.join();
}
int flag = 1;
public synchronized void printA() throws InterruptedException {
while (flag != 1) {
this.wait();
}
System.out.print(flag);
flag = 2;
this.notifyAll();
}
private synchronized void printB() throws InterruptedException {
while (flag != 2) {
this.wait();
}
System.out.print(flag);
flag = 3;
this.notifyAll();
}
private synchronized void printC() throws InterruptedException {
while (flag != 3) {
this.wait();
}
System.out.print(flag);
flag = 1;
this.notifyAll();
}
}
看到这段实现可能大家都会有如下两个疑问:
为啥要用notifyAll,而没有使用notify?
“这两者其实是有一定区别的,notify是随机的通知等待队列中的一个线程,而notifyAll是通知等待队列中所有的线程。可能我们第一感觉是即使使用了notifyAll也是只能有一个线程真正执行,但是在多线程编程中,所谓的感觉都蕴藏着风险,因为有些线程可能永远也不会被唤醒,这就导致即使满足条件也无法执行,所以除非你很清楚你的线程执行逻辑,一般情况下,不要使用notify。有兴趣的话,上面例子,可以测试下,你就可以得知为什么不建议你用notify。
”
为啥要用while循环,而不是用更轻量的if?
“利用while的原因,从根本上来说是java中的编程范式,只要涉及到wait等待,都需要用while。原因是因为当wait返回时,有可能判断条件已经发生变化,所以需要重新检验条件是否满足。
”
Lock实现
通过Lock解决多线程之间互斥问题; (await/signal)解决线程之间同步,当然这种实现方式和上一种效果是一样的。
public class Test {
// 打印方式跟上一种方式一样,这里不在给出。
private int flag = 1;
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition condition1 = lock.newCondition();
private Condition condition2 = lock.newCondition();
private Condition condition3 = lock.newCondition();
private void print1() {
try {
lock.lock();
while (flag != 1) {
try {
this.condition1.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.print("A");
flag = 2;
this.condition2.signal();
}finally {
lock.unlock();
}
}
private void print2() {
try {
lock.lock();
while (flag != 2) {
try {
this.condition2.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.print("B");
flag = 3;
this.condition3.signal();
}finally {
lock.unlock();
}
}
private void print3() {
try {
lock.lock();
while (flag != 3) {
try {
this.condition3.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.print("C");
flag = 1;
this.condition1.signal();
}finally {
lock.unlock();
}
}
Semaphore实现
信号量获取和归还机制来保证共享数据并发安全,以下为部分核心代码;
// 以s1开始的信号量,初始信号量数量为1
private static Semaphore s1 = new Semaphore(1);
// s2、s3信号量,s1完成后开始,初始信号数量为0
private static Semaphore s2 = new Semaphore(0);
private static Semaphore s3 = new Semaphore(0);
static class Thread1 extends Thread {
@Override
public void run() {
try {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
s1.acquire();// s1获取信号执行,s1信号量减1,当s1为0时将无法继续获得该信号量
System.out.print("1");
s2.release();// s2释放信号,s2信号量加1(初始为0),此时可以获取B信号量
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
其实除了以上方法,用CountDownLatch实现多个线程互相等待应该也是可以解决的,这里不在过多举例。
Go实现
在用Go的实现过程中,主要用到了三个知识点。1、先后启用了三个goroutine对共享变量进行操作; 2、一把互斥锁产生的三个条件变量对三个协程进行控制; 3、使用signChannel目的是为了不让goroutine过早结束运行。
package main
import (
"log"
"sync"
)
func main() {
//声明共享变量
var flag = 1
//声明互斥锁
var lock sync.RWMutex
//三个条件变量,用于控制三个协程执行频率
cnd1 := sync.NewCond(&lock)
cnd2 := sync.NewCond(&lock)
cnd3 := sync.NewCond(&lock)
//创建一个通道,用于控制goroutine过早结束运行
signChannel := make(chan struct{}, 3)
//最大循环次数
max := 5
go func(max int) {
//本次goroutine执行完成之后释放
defer func() {
signChannel <- struct{}{}
}()
//循环执行
for i := 1; i <= max; i++ {
// 锁定本次临界环境变量修改
lock.Lock()
//通过for循环检测条件是否发生变化,类似于上面的while
for flag != 1 {
//等待
cnd1.Wait()
}
//输出
log.Print(flag)
//修改标识,释放锁、并对其它协程发送信号
flag = 2
lock.Unlock()
cnd2.Signal()
}
}(max)
go func(max int) {
defer func() {
signChannel <- struct{}{}
}()
for i := 1; i <= max; i++ {
lock.Lock()
for flag != 2 {
cnd2.Wait()
}
log.Print(flag)
flag = 3
lock.Unlock()
cnd3.Signal()
}
}(max)
go func(max int) {
defer func() {
signChannel <- struct{}{}
}()
for i := 1; i <= max; i++ {
lock.Lock()
for flag != 3 {
cnd3.Wait()
}
log.Print(flag)
flag = 1
lock.Unlock()
cnd1.Signal()
}
}(max)
<- signChannel
<- signChannel
<- signChannel
}
可以看出这种实现方式也是通过锁和条件变量来控制临界区,这跟线程中Lock、await/signal实现方式没什么区别。(这是初次学习Go中互斥锁这块知识时,根据自己理解,编写的一种实现方式,如有问题,请多指教或者留言指正)
通过如上加锁和条件变量的机制解决了临界区变量并发安全问题,我们知道,之所以会如上出现并发问题,从源头上来说是硬件开发人员给软件开发人员挖的一个坑,为了提高并发性能,计算机出现了多核CPU,为了提高运算速度,CPU中又添加了高速缓存,这就导致多个CPU在做计算的时候缓存不能共享、交替执行,从而出现并发问题,无论线程、还是协程、解决思路很简单,通过加锁、禁用CPU缓存、公用内存。当然还存在编译优化带来的指令重排序问题,要想彻底解决必须从编程语言层面保证原子性 、有序性。无论如何处理,要想保证临界区变量的安全,总会存在一定性能损耗。
上述就是小编为大家分享的Thread和goroutine两种方式怎样实现共享变量按序输出了,如果刚好有类似的疑惑,不妨参照上述分析进行理解。如果想知道更多相关知识,欢迎关注创新互联行业资讯频道。
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