執行緒同步

執行緒同步[@more@]作者 : buaawhl

我們可以在計算機上執行各種計算機軟體程式。每一個執行的程式可能包括多個獨立執行的執行緒（Thread）。
執行緒（Thread）是一份獨立執行的程式，有自己專用的執行棧。執行緒有可能和其他執行緒共享一些資源，比如，記憶體，檔案，資料庫等。
當多個執行緒同時讀寫同一份共享資源的時候，可能會引起衝突。這時候，我們需要引入執行緒“同步”機制，即各位執行緒之間要有個先來後到，不能一窩蜂擠上去搶作一團。
同步這個詞是從英文synchronize（使同時發生）翻譯過來的。我也不明白為什麼要用這個很容易引起誤解的詞。既然大家都這麼用，我們們也就只好這麼將就。
執行緒同步的真實意思和字面意思恰好相反。執行緒同步的真實意思，其實是“排隊”：幾個執行緒之間要排隊，一個一個對共享資源進行操作，而不是同時進行操作。

因此，關於執行緒同步，需要牢牢記住的第一點是：執行緒同步就是執行緒排隊。同步就是排隊。執行緒同步的目的就是避免執行緒“同步”執行。這可真是個無聊的繞口令。
關於執行緒同步，需要牢牢記住的第二點是 “共享”這兩個字。只有共享資源的讀寫訪問才需要同步。如果不是共享資源，那麼就根本沒有同步的必要。
關於執行緒同步，需要牢牢記住的第三點是，只有“變數”才需要同步訪問。如果共享的資源是固定不變的，那麼就相當於“常量”，執行緒同時讀取常量也不需要同步。至少一個執行緒修改共享資源，這樣的情況下，執行緒之間就需要同步。
關於執行緒同步，需要牢牢記住的第四點是：多個執行緒訪問共享資源的程式碼有可能是同一份程式碼，也有可能是不同的程式碼；無論是否執行同一份程式碼，只要這些執行緒的程式碼訪問同一份可變的共享資源，這些執行緒之間就需要同步。

為了加深理解，下面舉幾個例子。
有兩個採購員，他們的工作內容是相同的，都是遵循如下的步驟：
（1）到市場上去，尋找併購買有潛力的樣品。
（2）回到公司，寫報告。
這兩個人的工作內容雖然一樣，他們都需要購買樣品，他們可能買到同樣種類的樣品，但是他們絕對不會購買到同一件樣品，他們之間沒有任何共享資源。所以，他們可以各自進行自己的工作，互不干擾。
這兩個採購員就相當於兩個執行緒；兩個採購員遵循相同的工作步驟，相當於這兩個執行緒執行同一段程式碼。

下面給這兩個採購員增加一個工作步驟。採購員需要根據公司的“佈告欄”上面公佈的資訊，安排自己的工作計劃。
這兩個採購員有可能同時走到佈告欄的前面，同時觀看佈告欄上的資訊。這一點問題都沒有。因為佈告欄是隻讀的，這兩個採購員誰都不會去修改佈告欄上寫的資訊。

下面增加一個角色。一個辦公室行政人員這個時候，也走到了佈告欄前面，準備修改佈告欄上的資訊。
如果行政人員先到達佈告欄，並且正在修改佈告欄的內容。兩個採購員這個時候，恰好也到了。這兩個採購員就必須等待行政人員完成修改之後，才能觀看修改後的資訊。
如果行政人員到達的時候，兩個採購員已經在觀看佈告欄了。那麼行政人員需要等待兩個採購員把當前資訊記錄下來之後，才能夠寫上新的資訊。
上述這兩種情況，行政人員和採購員對佈告欄的訪問就需要進行同步。因為其中一個執行緒（行政人員）修改了共享資源（佈告欄）。而且我們可以看到，行政人員的工作流程和採購員的工作流程（執行程式碼）完全不同，但是由於他們訪問了同一份可變共享資源（佈告欄），所以他們之間需要同步。

同步鎖

前面講了為什麼要執行緒同步，下面我們就來看如何才能執行緒同步。
執行緒同步的基本實現思路還是比較容易理解的。我們可以給共享資源加一把鎖，這把鎖只有一把鑰匙。哪個執行緒獲取了這把鑰匙，才有權利訪問該共享資源。
生活中，我們也可能會遇到這樣的例子。一些超市的外面提供了一些自動儲物箱。每個儲物箱都有一把鎖，一把鑰匙。人們可以使用那些帶有鑰匙的儲物箱，把東西放到儲物箱裡面，把儲物箱鎖上，然後把鑰匙拿走。這樣，該儲物箱就被鎖住了，其他人不能再訪問這個儲物箱。（當然，真實的儲物箱鑰匙是可以被人拿走複製的，所以不要把貴重物品放在超市的儲物箱裡面。於是很多超市都採用了電子密碼鎖。）
執行緒同步鎖這個模型看起來很直觀。但是，還有一個嚴峻的問題沒有解決，這個同步鎖應該加在哪裡？
當然是加在共享資源上了。反應快的讀者一定會搶先回答。
沒錯，如果可能，我們當然儘量把同步鎖加在共享資源上。一些比較完善的共享資源，比如，檔案系統，資料庫系統等，自身都提供了比較完善的同步鎖機制。我們不用另外給這些資源加鎖，這些資源自己就有鎖。
但是，大部分情況下，我們在程式碼中訪問的共享資源都是比較簡單的共享物件。這些物件裡面沒有地方讓我們加鎖。
讀者可能會提出建議：為什麼不在每一個物件內部都增加一個新的區域，專門用來加鎖呢？這種設計理論上當然也是可行的。問題在於，執行緒同步的情況並不是很普遍。如果因為這小機率事件，在所有物件內部都開闢一塊鎖空間，將會帶來極大的空間浪費。得不償失。
於是，現代的程式語言的設計思路都是把同步鎖加在程式碼段上。確切的說，是把同步鎖加在“訪問共享資源的程式碼段”上。這一點一定要記住，同步鎖是加在程式碼段上的。
同步鎖加在程式碼段上，就很好地解決了上述的空間浪費問題。但是卻增加了模型的複雜度，也增加了我們的理解難度。
現在我們就來仔細分析“同步鎖加在程式碼段上”的執行緒同步模型。
首先，我們已經解決了同步鎖加在哪裡的問題。我們已經確定，同步鎖不是加在共享資源上，而是加在訪問共享資源的程式碼段上。
其次，我們要解決的問題是，我們應該在程式碼段上加什麼樣的鎖。這個問題是重點中的重點。這是我們尤其要注意的問題：訪問同一份共享資源的不同程式碼段，應該加上同一個同步鎖；如果加的是不同的同步鎖，那麼根本就起不到同步的作用，沒有任何意義。
這就是說，同步鎖本身也一定是多個執行緒之間的共享物件。

Java語言的synchronized關鍵字

為了加深理解，舉幾個程式碼段同步的例子。
不同語言的同步鎖模型都是一樣的。只是表達方式有些不同。這裡我們以當前最流行的Java語言為例。Java語言裡面用synchronized關鍵字給程式碼段加鎖。整個語法形式表現為
synchronized(同步鎖) {
// 訪問共享資源，需要同步的程式碼段
}

這裡尤其要注意的就是，同步鎖本身一定要是共享的物件。

… f1() {

Object lock1 = new Object(); // 產生一個同步鎖

synchronized(lock1){
// 程式碼段 A
// 訪問共享資源 resource1
// 需要同步
}
}

上面這段程式碼沒有任何意義。因為那個同步鎖是在函式體內部產生的。每個執行緒呼叫這段程式碼的時候，都會產生一個新的同步鎖。那麼多個執行緒之間，使用的是不同的同步鎖。根本達不到同步的目的。
同步程式碼一定要寫成如下的形式，才有意義。

public static final Object lock1 = new Object();

… f1() {

synchronized(lock1){ // lock1 是公用同步鎖
// 程式碼段 A
// 訪問共享資源 resource1
// 需要同步
}

你不一定要把同步鎖宣告為static或者public，但是你一定要保證相關的同步程式碼之間，一定要使用同一個同步鎖。
講到這裡，你一定會好奇，這個同步鎖到底是個什麼東西。為什麼隨便宣告一個Object物件，就可以作為同步鎖？
在Java裡面，同步鎖的概念就是這樣的。任何一個Object Reference都可以作為同步鎖。我們可以把Object Reference理解為物件在記憶體分配系統中的記憶體地址。因此，要保證同步程式碼段之間使用的是同一個同步鎖，我們就要保證這些同步程式碼段的synchronized關鍵字使用的是同一個Object Reference，同一個記憶體地址。這也是為什麼我在前面的程式碼中宣告lock1的時候，使用了final關鍵字，這就是為了保證lock1的Object Reference在整個系統執行過程中都保持不變。
一些求知慾強的讀者可能想要繼續深入瞭解synchronzied(同步鎖)的實際執行機制。Java虛擬機器規範中（你可以在google用“JVM Spec”等關鍵字進行搜尋），有對synchronized關鍵字的詳細解釋。synchronized會編譯成 monitor enter, … monitor exit之類的指令對。Monitor就是實際上的同步鎖。每一個Object Reference在概念上都對應一個monitor。
這些實現細節問題，並不是理解同步鎖模型的關鍵。我們繼續看幾個例子，加深對同步鎖模型的理解。

public static final Object lock1 = new Object();

… f1() {

synchronized(lock1){ // lock1 是公用同步鎖
// 程式碼段 A
// 訪問共享資源 resource1
// 需要同步
}
}

… f2() {

synchronized(lock1){ // lock1 是公用同步鎖
// 程式碼段 B
// 訪問共享資源 resource1
// 需要同步
}
}

上述的程式碼中，程式碼段A和程式碼段B就是同步的。因為它們使用的是同一個同步鎖lock1。
如果有10個執行緒同時執行程式碼段A，同時還有20個執行緒同時執行程式碼段B，那麼這30個執行緒之間都是要進行同步的。
這30個執行緒都要競爭一個同步鎖lock1。同一時刻，只有一個執行緒能夠獲得lock1的所有權，只有一個執行緒可以執行程式碼段A或者程式碼段B。其他競爭失敗的執行緒只能暫停執行，進入到該同步鎖的就緒（Ready）佇列。
每一個同步鎖下面都掛了幾個執行緒佇列，包括就緒（Ready）佇列，待召（Waiting）佇列等。比如，lock1對應的就緒佇列就可以叫做lock1 - ready queue。每個佇列裡面都可能有多個暫停執行的執行緒。
注意，競爭同步鎖失敗的執行緒進入的是該同步鎖的就緒（Ready）佇列，而不是後面要講述的待召佇列（Waiting Queue，也可以翻譯為等待佇列）。就緒佇列裡面的執行緒總是時刻準備著競爭同步鎖，時刻準備著執行。而待召佇列裡面的執行緒則只能一直等待，直到等到某個訊號的通知之後，才能夠轉移到就緒佇列中，準備執行。
成功獲取同步鎖的執行緒，執行完同步程式碼段之後，會釋放同步鎖。該同步鎖的就緒佇列中的其他執行緒就繼續下一輪同步鎖的競爭。成功者就可以繼續執行，失敗者還是要乖乖地待在就緒佇列中。
因此，執行緒同步是非常耗費資源的一種操作。我們要儘量控制執行緒同步的程式碼段範圍。同步的程式碼段範圍越小越好。我們用一個名詞“同步粒度”來表示同步程式碼段的範圍。
同步粒度
在Java語言裡面，我們可以直接把synchronized關鍵字直接加在函式的定義上。
比如。
… synchronized … f1() {
// f1 程式碼段
}

這段程式碼就等價於
… f1() {
synchronized(this){ // 同步鎖就是物件本身
// f1 程式碼段
}
}

同樣的原則適用於靜態（static）函式
比如。
… static synchronized … f1() {
// f1 程式碼段
}

這段程式碼就等價於
…static … f1() {
synchronized(Class.forName(…)){ // 同步鎖是類定義本身
// f1 程式碼段
}
}

但是，我們要儘量避免這種直接把synchronized加在函式定義上的偷懶做法。因為我們要控制同步粒度。同步的程式碼段越小越好。synchronized控制的範圍越小越好。
我們不僅要在縮小同步程式碼段的長度上下功夫，我們同時還要注意細分同步鎖。
比如，下面的程式碼

public static final Object lock1 = new Object();

… f1() {

synchronized(lock1){ // lock1 是公用同步鎖
// 程式碼段 A
// 訪問共享資源 resource1
// 需要同步
}
}

… f2() {

synchronized(lock1){ // lock1 是公用同步鎖
// 程式碼段 B
// 訪問共享資源 resource1
// 需要同步
}
}

… f3() {

synchronized(lock1){ // lock1 是公用同步鎖
// 程式碼段 C
// 訪問共享資源 resource2
// 需要同步
}
}

… f4() {

synchronized(lock1){ // lock1 是公用同步鎖
// 程式碼段 D
// 訪問共享資源 resource2
// 需要同步
}
}

上述的4段同步程式碼，使用同一個同步鎖lock1。所有呼叫4段程式碼中任何一段程式碼的執行緒，都需要競爭同一個同步鎖lock1。
我們仔細分析一下，發現這是沒有必要的。
因為f1()的程式碼段A和f2()的程式碼段B訪問的共享資源是resource1，f3()的程式碼段C和f4()的程式碼段D訪問的共享資源是resource2，它們沒有必要都競爭同一個同步鎖lock1。我們可以增加一個同步鎖lock2。f3()和f4()的程式碼可以修改為：
public static final Object lock2 = new Object();

… f3() {

synchronized(lock2){ // lock2 是公用同步鎖
// 程式碼段 C
// 訪問共享資源 resource2
// 需要同步
}
}

… f4() {

synchronized(lock2){ // lock2 是公用同步鎖
// 程式碼段 D
// 訪問共享資源 resource2
// 需要同步
}
}

這樣，f1()和f2()就會競爭lock1，而f3()和f4()就會競爭lock2。這樣，分開來分別競爭兩個鎖，就可以大大較少同步鎖競爭的機率，從而減少系統的開銷。

訊號量

同步鎖模型只是最簡單的同步模型。同一時刻，只有一個執行緒能夠執行同步程式碼。
有的時候，我們希望處理更加複雜的同步模型，比如生產者/消費者模型、讀寫同步模型等。這種情況下，同步鎖模型就不夠用了。我們需要一個新的模型。這就是我們要講述的訊號量模型。
訊號量模型的工作方式如下：執行緒在執行的過程中，可以主動停下來，等待某個訊號量的通知；這時候，該執行緒就進入到該訊號量的待召（Waiting）佇列當中；等到通知之後，再繼續執行。
很多語言裡面，同步鎖都由專門的物件表示，物件名通常叫Monitor。
同樣，在很多語言中，訊號量通常也有專門的物件名來表示，比如，Mutex，Semphore。
訊號量模型要比同步鎖模型複雜許多。一些系統中，訊號量甚至可以跨程式進行同步。另外一些訊號量甚至還有計數功能，能夠控制同時執行的執行緒數。
我們沒有必要考慮那麼複雜的模型。所有那些複雜的模型，都是最基本的模型衍生出來的。只要掌握了最基本的訊號量模型——“等待/通知”模型，複雜模型也就迎刃而解了。
我們還是以Java語言為例。Java語言裡面的同步鎖和訊號量概念都非常模糊，沒有專門的物件名詞來表示同步鎖和訊號量，只有兩個同步鎖相關的關鍵字——volatile和synchronized。
這種模糊雖然導致概念不清，但同時也避免了Monitor、Mutex、Semphore等名詞帶來的種種誤解。我們不必執著於名詞之爭，可以專注於理解實際的執行原理。
在Java語言裡面，任何一個Object Reference都可以作為同步鎖。同樣的道理，任何一個Object Reference也可以作為訊號量。
Object物件的wait()方法就是等待通知，Object物件的notify()方法就是發出通知。
具體呼叫方法為
（1）等待某個訊號量的通知
public static final Object signal = new Object();

… f1() {
synchronized(singal) { // 首先我們要獲取這個訊號量。這個訊號量同時也是一個同步鎖

// 只有成功獲取了signal這個訊號量兼同步鎖之後，我們才可能進入這段程式碼
signal.wait(); // 這裡要放棄訊號量。本執行緒要進入signal訊號量的待召（Waiting）佇列

// 可憐。辛辛苦苦爭取到手的訊號量，就這麼被放棄了

// 等到通知之後，從待召（Waiting）佇列轉到就緒（Ready）佇列裡面
// 轉到了就緒佇列中，離CPU核心近了一步，就有機會繼續執行下面的程式碼了。
// 仍然需要把signal同步鎖競爭到手，才能夠真正繼續執行下面的程式碼。命苦啊。
…
}
}

需要注意的是，上述程式碼中的signal.wait()的意思。signal.wait()很容易導致誤解。signal.wait()的意思並不是說，signal開始wait，而是說，執行這段程式碼的當前執行緒開始wait這個signal物件，即進入signal物件的待召（Waiting）佇列。

（2）發出某個訊號量的通知
… f2() {
synchronized(singal) { // 首先，我們同樣要獲取這個訊號量。同時也是一個同步鎖。

// 只有成功獲取了signal這個訊號量兼同步鎖之後，我們才可能進入這段程式碼
signal.notify(); // 這裡，我們通知signal的待召佇列中的某個執行緒。

// 如果某個執行緒等到了這個通知，那個執行緒就會轉到就緒佇列中
// 但是本執行緒仍然繼續擁有signal這個同步鎖，本執行緒仍然繼續執行
// 嘿嘿，雖然本執行緒好心通知其他執行緒，
// 但是，本執行緒可沒有那麼高風亮節，放棄到手的同步鎖
// 本執行緒繼續執行下面的程式碼
…
}
}

需要注意的是，signal.notify()的意思。signal.notify()並不是通知signal這個物件本身。而是通知正在等待signal訊號量的其他執行緒。

以上就是Object的wait()和notify()的基本用法。
實際上，wait()還可以定義等待時間，當執行緒在某訊號量的待召佇列中，等到足夠長的時間，就會等無可等，無需再等，自己就從待召佇列轉移到就緒佇列中了。
另外，還有一個notifyAll()方法，表示通知待召佇列裡面的所有執行緒。
這些細節問題，並不對大局產生影響。

綠色執行緒

綠色執行緒（Green Thread）是一個相對於作業系統執行緒（Native Thread）的概念。
作業系統執行緒（Native Thread）的意思就是，程式裡面的執行緒會真正對映到作業系統的執行緒，執行緒的執行和排程都是由作業系統控制的
綠色執行緒（Green Thread）的意思是，程式裡面的執行緒不會真正對映到作業系統的執行緒，而是由語言執行平臺自身來排程。
當前版本的Python語言的執行緒就可以對映到作業系統執行緒。當前版本的Ruby語言的執行緒就屬於綠色執行緒，無法對映到作業系統的執行緒，因此Ruby語言的執行緒的執行速度比較慢。
難道說，綠色執行緒要比作業系統執行緒要慢嗎？當然不是這樣。事實上，情況可能正好相反。Ruby是一個特殊的例子。執行緒排程器並不是很成熟。
目前，執行緒的流行實現模型就是綠色執行緒。比如，stackless Python，就引入了更加輕量的綠色執行緒概念。線上程併發程式設計方面，無論是執行速度還是併發負載上，都優於Python。
另一個更著名的例子就是ErLang（愛立信公司開發的一種開源語言）。
ErLang的綠色執行緒概念非常徹底。ErLang的執行緒不叫Thread，而是叫做Process。這很容易和程式混淆起來。這裡要注意區分一下。
ErLang Process之間根本就不需要同步。因為ErLang語言的所有變數都是final的，不允許變數的值發生任何變化。因此根本就不需要同步。
final變數的另一個好處就是，物件之間不可能出現交叉引用，不可能構成一種環狀的關聯，物件之間的關聯都是單向的，樹狀的。因此，記憶體垃圾回收的演算法效率也非常高。這就讓ErLang能夠達到Soft Real Time（軟實時）的效果。這對於一門支援記憶體垃圾回收的語言來說，可不是一件容易的事情。