Thread and Lock trong Java

Một ứng dụng đang chạy thường được tạo thành từ một process với không gian bộ nhớ riêng của nó. Một máy tính nói chung thường chạy đa nhiệm, tức nhiều process cùng lúc. Ví dụ, một ứng dụng xử lý văn bản (Word, Excel...) có thể chạy cùng lúc với một ứng dụng chơi nhạc (Media Player...). Hơn thế nữa, một process bao gồm nhiều thread chạy đồng thời. Khi bạn chạy một ứng dụng Java, một JVM process mới sẽ được khởi động.

Mỗi Java process có ít nhất một thread ứng dụng. Bên cạnh các thread của ứng dụng đang chạy, còn có các JVM Internal thread chạy cùng để xử lý thu gom rác (Garbage collection) hay tạo mã (code generation).

Trong bài viết này sẽ chỉ ra những thông tin, lý thuyết cơ bản nhất về Thread và Lock trong JVM, phần demo hay code có thể tham khảo thêm từ Google. Riêng các thông tin về cách tạo Thread Dumps, in ra stack của tất cả các Thread trong ứng dụng, dùng để phân tích lỗi và tối ưu ứng dụng cho ứng dụng và hiệu suất JVM, các bạn có thể xem thêm cách dùng thread dumps .

Threads

Một ứng dụng Java chứa một hay nhiều Thread. Toàn bộ JVM process bao gồm các Java thread và một vài JVM internal thread, ví dụ một hay nhiều GC thread, code optimizer thread và vài finalizer thread.

Từ hướng nhìn của phía hệ điều hành, Java thread chỉ giống như bất cứ thread ứng dụng nào. Việc schedule cho thread được xử lý bởi hệ điều hành và dựa vào độ ưu tiên của các thread.

Với Java, các thread được biểu diễn bởi các thread object. Mỗi thread cũng có một stack dùng để chứa dữ liệu khi chạy (còn gọi là Runtime data). Thread stack có một kích thước cụ thể, nếu một thread cố gắng để lưu nhiều hơn kích thước giới hạn, thread sẽ ném lỗi StackOverFlow.

Kích thước mặc định của Stack của Thread phụ thuộc vào môi trường hệ điều hành cài đặt, IA32 , X64...từ 64KB đến 1024KB. Bạn có thể tùy chỉnh kích thước của thread stack

java -Xss:512k MyApplication

Kích thước default system stack của JVM Internal thread là 256KB trên tất cả platform.

Locks

Khi các thread bên trong một process chia sẻ và thay đổi các dữ liệu chung, các hoạt động của chúng phải được đồng bộ hóa để tránh lỗi. Trong java, điều này có thể thực hiện thông qua từ khóa synchronized, hay wait() and notify().

Việc đồng bộ hóa (synchronization) được thực hiện bằng cách dùng các khóa gọi là Lock, mỗi trong số đó được liên kết đến một đối tượng bởi JVM. Đối với Thread làm việc trên một đối tượng, nó phải có quyền kiểm soát các lock liên kết đến nó, nó phải giữ lock.

Chỉ duy nhất một thread có thể giữ một lock tại một thời điểm.

Nếu một thread khác cố gắng để giành lấy lock đang được giữ bởi một thread khác, nó phải chờ đến khi lock được giải phóng released. Khi điều này xảy ra, chúng ta gọi đó là contention (cạnh tranh).

Có 4 loại lock khác nhau:

1. Fat locks: là lock với một lịch sử contention (một vài thread đang cố giành giành lock một cách đồng thời), hay là lock đã được chờ (để thông báo).
2. Think locks: là lock không có bất kì contention nào.
3. Recursive locks: là lock đã được giữ bởi một thread nhiều lần mà chưa được released.
4. Lazy locks: là lock chưa được released khi một critical section được kết thúc (Critical section là một đoạn code mà có thể thực thi bởi 1 Thread tại 1 thời điểm). Một khi lazy lock được acquired bởi một thread, thread còn lại sẽ cố gắng acquire lock để đảm bảo rằng khóa đó được hoặc có thể được released.

Spinning and Sleeping

Spinning xảy ra khi một thread muốn một lock cụ thể, liên tục kiểm tra lặp đi lặp lại xem nó có đang được giữ hay không, thay vì mang lại CPU time cho thread khác.

Ngoài ra, một thread cố để lấy một lock mà đang được giữ, chờ thông báo từ lock và đi vào trạng thái sleep. Thread sau đó sẽ chờ một cách thụ động để lock được released.

Lock Chains

Môt vài thread có thể được gắng vào một chuỗi gọi là lock chain. Định nghĩa như sau:

1. Thread A và B tạo thành một lock chain nếu thread A giữ lock và thread B cố gắng giành nó. Nếu A không cố giữ lock, thì lock chain sẽ ở trạng thai "open".
2. Nếu A->B là một lock chain, và B->C cũng là một lock chain, khi đó A->B->C là một complete lock chain.
3. Nếu không có bất kì thread nào chờ lock được giữ bởi C, thì A->B->C là complete và open lock chain.

Lock Chain Types

JVM phân tích các thread và hình thành các lock chain. Có 3 loại lock chain: Open, Deadlocked and Blocked lock chains.

1. Open Chains Open lock chain đại diện cho một straight dependency (phụ thuộc thẳng), thread A chờ B và B đang chờ C, v.v... Nếu bạn có một chuỗi lock chain dài, ứng dụng sẽ gây lãng phí thời gian chờ lock. Bạn có thể muốn xem xét lại cách lock được sử dụng để đồng bộ hóa.

2. Deadlock Chains Deadlocked hay circular lock chain bao gồm một chuỗi các i, trong đó thread đầu tiên trong chuỗi đang chờ thread cuối. Trong trường hợp đơn giản nhất, thread A đang chờ B trong khi B lại đang chờ A. Deadlock không bao giờ được giải quyết, và ứng dụng sẽ chờ vô hạn.

3. Blocked Chains Blocked lock chain được tạo thành bởi một chuỗi lock chain có thread đầu là 1 phần của chuỗi lock chain khác, mà có thể là open hoặc deadlocked chain. VD, nếu Thread A đang chờ thread B, thread B đang chờ A, và C cũng chờ thread A. khi đó A và B tạo thành một deadlocked chain, trong khi C và A tạo thành một blocked lock chain.

Reference link https://docs.oracle.com/cd/E13150_01/jrockit_jvm/jrockit/geninfo/diagnos/thread_basics.html