• 并发编程的三大特性

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    一、原子性

    1.1 什么是并发编程的原子性

    JMM（Java Memory Model）。不同的硬件和不同的操作系统在内存上的操作有一定差异的。Java为了解决相同代码在不同操作系统上出现的各种问题，用JMM屏蔽掉各种硬件和操作系统带来的差异。

    让Java的并发编程可以做到跨平台。

    JMM规定所有变量都会存储在主内存中，在操作的时候，需要从主内存中复制一份到线程内存（CPU内存），在线程内部做计算。然后再写回主内存中（不一定！）。

    原子性的定义：原子性指一个操作是不可分割的，不可中断的，一个线程在执行时，另一个线程不会影响到他。

    并发编程的原子性用代码阐述：

    1. private static int count;
    2. ​
    3. public static void increment(){
    4.     try {
    5.         Thread.sleep(10);
    6.     } catch (InterruptedException e) {
    7.         e.printStackTrace();
    8.     }
    9.     count++;
    10. }
    11. ​
    12. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    13.     Thread t1 = new Thread(() -> {
    14.         for (int i = 0; i < 100; i++) {
    15.            increment();
    16.         }
    17.     });
    18.     Thread t2 = new Thread(() -> {
    19.         for (int i = 0; i < 100; i++) {
    20.             increment();
    21.         }
    22.     });
    23.     t1.start();
    24.     t2.start();
    25.     t1.join();
    26.     t2.join();
    27.     System.out.println(count);
    28. }

    当前程序：多线程操作共享数据时，预期的结果，与最终的结果不符。

    原子性：多线程操作临界资源，预期的结果与最终结果一致。

    通过对这个程序的分析，可以查看出，++的操作，一共分为了三部，首先是线程从主内存拿到数据保存到CPU的寄存器中，然后在寄存器中进行+1操作，最终将结果写回到主内存当中。

    1.2 保证并发编程的原子性

    1.2.1 synchronized

    因为++操作可以从指令中查看到

    image.png

    可以在方法上追加synchronized关键字或者采用同步代码块的形式来保证原子性

    synchronized可以让避免多线程同时操作临街资源，同一时间点，只会有一个线程正在操作临界资源

    image.png

    1.2.2 CAS

    到底什么是CAS

    compare and swap也就是比较和交换，他是一条CPU的并发原语。

    他在替换内存的某个位置的值时，首先查看内存中的值与预期值是否一致，如果一致，执行替换操作。这个操作是一个原子性操作。

    Java中基于Unsafe的类提供了对CAS的操作的方法，JVM会帮助我们将方法实现CAS汇编指令。

    但是要清楚CAS只是比较和交换，在获取原值的这个操作上，需要你自己实现。

    1. private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    2. ​
    3. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    4.     Thread t1 = new Thread(() -> {
    5.         for (int i = 0; i < 100; i++) {
    6.             count.incrementAndGet();
    7.         }
    8.     });
    9.     Thread t2 = new Thread(() -> {
    10.         for (int i = 0; i < 100; i++) {
    11.             count.incrementAndGet();
    12.         }
    13.     });
    14.     t1.start();
    15.     t2.start();
    16.     t1.join();
    17.     t2.join();
    18.     System.out.println(count);
    19. }

    Doug Lea在CAS的基础上帮助我们实现了一些原子类，其中就包括现在看到的AtomicInteger，还有其他很多原子类……

    CAS的缺点：CAS只能保证对一个变量的操作是原子性的，无法实现对多行代码实现原子性。

    CAS的问题：

    • ABA问题：问题如下，可以引入版本号的方式，来解决ABA的问题。Java中提供了一个类在CAS时，针对各个版本追加版本号的操作。 AtomicStampeReference

      image.png

    • AtomicStampedReference在CAS时，不但会判断原值，还会比较版本信息。

      1. public static void main(String[] args) {
      2.     AtomicStampedReference reference = new AtomicStampedReference<>("AAA",1);
      3. ​
      4.     String oldValue = reference.getReference();
      5.     int oldVersion = reference.getStamp();
      6. ​
      7.     boolean b = reference.compareAndSet(oldValue, "B", oldVersion, oldVersion + 1);
      8.     System.out.println("修改1版本的：" + b);
      9. ​
      10.     boolean c = reference.compareAndSet("B", "C", 1, 1 + 1);
      11.     System.out.println("修改2版本的：" + c);
      12. }

    • 自旋时间过长问题：

      • 可以指定CAS一共循环多少次，如果超过这个次数，直接失败/或者挂起线程。（自旋锁、自适应自旋锁）

      • 可以在CAS一次失败后，将这个操作暂存起来，后面需要获取结果时，将暂存的操作全部执行，再返回最后的结果。

    1.2.3 Lock锁

    Lock锁是在JDK1.5由Doug Lea研发的，他的性能相比synchronized在JDK1.5的时期，性能好了很多多，但是在JDK1.6对synchronized优化之后，性能相差不大，但是如果涉及并发比较多时，推荐ReentrantLock锁，性能会更好。

    实现方式：

    1. private static int count;
    2. ​
    3. private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    4. ​
    5. public static void increment()  {
    6.     lock.lock();
    7.     try {
    8.         count++;
    9.         try {
    10.             Thread.sleep(10);
    11.         } catch (InterruptedException e) {
    12.             e.printStackTrace();
    13.         }
    14.     } finally {
    15.         lock.unlock();
    16.     }
    17. ​
    18. ​
    19. }
    20. ​
    21. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    22.     Thread t1 = new Thread(() -> {
    23.         for (int i = 0; i < 100; i++) {
    24.             increment();
    25.         }
    26.     });
    27.     Thread t2 = new Thread(() -> {
    28.         for (int i = 0; i < 100; i++) {
    29.             increment();
    30.         }
    31.     });
    32.     t1.start();
    33.     t2.start();
    34.     t1.join();
    35.     t2.join();
    36.     System.out.println(count);
    37. }

    ReentrantLock可以直接对比synchronized，在功能上来说，都是锁。

    但是ReentrantLock的功能性相比synchronized更丰富。

    ReentrantLock底层是基于AQS实现的，有一个基于CAS维护的state变量来实现锁的操作。

    1.2.4 ThreadLocal

    Java中的四种引用类型

    Java中的使用引用类型分别是强，软，弱，虚。

    User user = new User（）；

    在 Java 中最常见的就是强引用，把一个对象赋给一个引用变量，这个引用变量就是一个强引用。当一个对象被强引用变量引用时，它始终处于可达状态，它是不可能被垃圾回收机制回收的，即使该对象以后永远都不会被用到 JVM 也不会回收。因此强引用是造成 Java 内存泄漏的主要原因之一。

    SoftReference

    其次是软引用，对于只有软引用的对象来说，当系统内存足够时它不会被回收，当系统内存空间不足时它会被回收。软引用通常用在对内存敏感的程序中，作为缓存使用。

    然后是弱引用，它比软引用的生存期更短，对于只有弱引用的对象来说，只要垃圾回收机制一运行，不管 JVM 的内存空间是否足够，总会回收该对象占用的内存。可以解决内存泄漏问题，ThreadLocal就是基于弱引用解决内存泄漏的问题。

    最后是虚引用，它不能单独使用，必须和引用队列联合使用。虚引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态。不过在开发中，我们用的更多的还是强引用。

    ThreadLocal保证原子性的方式，是不让多线程去操作临界资源，让每个线程去操作属于自己的数据

    代码实现

    1. static ThreadLocal tl1 = new ThreadLocal();
    2. static ThreadLocal tl2 = new ThreadLocal();
    3. ​
    4. public static void main(String[] args) {
    5.     tl1.set("123");
    6.     tl2.set("456");
    7.     Thread t1 = new Thread(() -> {
    8.         System.out.println("t1:" + tl1.get());
    9.         System.out.println("t1:" + tl2.get());
    10.     });
    11.     t1.start();
    12. ​
    13.     System.out.println("main:" + tl1.get());
    14.     System.out.println("main:" + tl2.get());
    15. }

    ThreadLocal实现原理：

    • 每个Thread中都存储着一个成员变量，ThreadLocalMap

    • ThreadLocal本身不存储数据，像是一个工具类，基于ThreadLocal去操作ThreadLocalMap

    • ThreadLocalMap本身就是基于Entry[]实现的，因为一个线程可以绑定多个ThreadLocal，这样一来，可能需要存储多个数据，所以采用Entry[]的形式实现。

    • 每一个现有都自己独立的ThreadLocalMap，再基于ThreadLocal对象本身作为key，对value进行存取

    • ThreadLocalMap的key是一个弱引用，弱引用的特点是，即便有弱引用，在GC时，也必须被回收。这里是为了在ThreadLocal对象失去引用后，如果key的引用是强引用，会导致ThreadLocal对象无法被回收

    ThreadLocal内存泄漏问题：

    • 如果ThreadLocal引用丢失，key因为弱引用会被GC回收掉，如果同时线程还没有被回收，就会导致内存泄漏，内存中的value无法被回收，同时也无法被获取到。

    • 只需要在使用完毕ThreadLocal对象之后，及时的调用remove方法，移除Entry即可

    image.png

    二、可见性

    2.1 什么是可见性

    可见性问题是基于CPU位置出现的，CPU处理速度非常快，相对CPU来说，去主内存获取数据这个事情太慢了，CPU就提供了L1，L2，L3的三级缓存，每次去主内存拿完数据后，就会存储到CPU的三级缓存，每次去三级缓存拿数据，效率肯定会提升。

    这就带来了问题，现在CPU都是多核，每个线程的工作内存（CPU三级缓存）都是独立的，会告知每个线程中做修改时，只改自己的工作内存，没有及时的同步到主内存，导致数据不一致问题。

    image.png

    可见性问题的代码逻辑

    1. private static boolean flag = true;
    2. ​
    3. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    4.     Thread t1 = new Thread(() -> {
    5.         while (flag) {
    6.             // ....
    7.         }
    8.         System.out.println("t1线程结束");
    9.     });
    10. ​
    11.     t1.start();
    12.     Thread.sleep(10);
    13.     flag = false;
    14.     System.out.println("主线程将flag改为false");
    15. }

    2.2 解决可见性的方式

    2.2.1 volatile

    volatile是一个关键字，用来修饰成员变量。

    如果属性被volatile修饰，相当于会告诉CPU，对当前属性的操作，不允许使用CPU的缓存，必须去和主内存操作

    volatile的内存语义：

    • volatile属性被写：当写一个volatile变量，JMM会将当前线程对应的CPU缓存及时的刷新到主内存中

    • volatile属性被读：当读一个volatile变量，JMM会将对应的CPU缓存中的内存设置为无效，必须去主内存中重新读取共享变量

    其实加了volatile就是告知CPU，对当前属性的读写操作，不允许使用CPU缓存，加了volatile修饰的属性，会在转为汇编之后后，追加一个lock的前缀，CPU执行这个指令时，如果带有lock前缀会做两个事情：

    • 将当前处理器缓存行的数据写回到主内存

    • 这个写回的数据，在其他的CPU内核的缓存中，直接无效。

    总结：volatile就是让CPU每次操作这个数据时，必须立即同步到主内存，以及从主内存读取数据。

    1. private volatile static boolean flag = true;
    2. ​
    3. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    4.     Thread t1 = new Thread(() -> {
    5.         while (flag) {
    6.             // ....
    7.         }
    8.         System.out.println("t1线程结束");
    9.     });
    10. ​
    11.     t1.start();
    12.     Thread.sleep(10);
    13.     flag = false;
    14.     System.out.println("主线程将flag改为false");
    15. }
    2.2.2 synchronized

    synchronized也是可以解决可见性问题的，synchronized的内存语义。

    如果涉及到了synchronized的同步代码块或者是同步方法，获取锁资源之后，将内部涉及到的变量从CPU缓存中移除，必须去主内存中重新拿数据，而且在释放锁之后，会立即将CPU缓存中的数据同步到主内存。

    1. private static boolean flag = true;
    2. ​
    3. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    4.     Thread t1 = new Thread(() -> {
    5.         while (flag) {
    6.             synchronized (MiTest.class){
    7.                 //...
    8.             }
    9.             System.out.println(111);
    10.         }
    11.         System.out.println("t1线程结束");
    12. ​
    13.     });
    14. ​
    15.     t1.start();
    16.     Thread.sleep(10);
    17.     flag = false;
    18.     System.out.println("主线程将flag改为false");
    19. }
    2.2.3 Lock

    Lock锁保证可见性的方式和synchronized完全不同，synchronized基于他的内存语义，在获取锁和释放锁时，对CPU缓存做一个同步到主内存的操作。

    Lock锁是基于volatile实现的。Lock锁内部再进行加锁和释放锁时，会对一个由volatile修饰的state属性进行加减操作。

    如果对volatile修饰的属性进行写操作，CPU会执行带有lock前缀的指令，CPU会将修改的数据，从CPU缓存立即同步到主内存，同时也会将其他的属性也立即同步到主内存中。还会将其他CPU缓存行中的这个数据设置为无效，必须重新从主内存中拉取。

    1. private static boolean flag = true;
    2. private static Lock lock = new ReentrantLock();
    3. ​
    4. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    5.     Thread t1 = new Thread(() -> {
    6.         while (flag) {
    7.             lock.lock();
    8.             try{
    9.                 //...
    10.             }finally {
    11.                 lock.unlock();
    12.             }
    13.         }
    14.         System.out.println("t1线程结束");
    15. ​
    16.     });
    17. ​
    18.     t1.start();
    19.     Thread.sleep(10);
    20.     flag = false;
    21.     System.out.println("主线程将flag改为false");
    22. }
    2.2.4 final

    final修饰的属性，在运行期间是不允许修改的，这样一来，就间接的保证了可见性，所有多线程读取final属性，值肯定是一样。

    final并不是说每次取数据从主内存读取，他没有这个必要，而且final和volatile是不允许同时修饰一个属性的

    final修饰的内容已经不允许再次被写了，而volatile是保证每次读写数据去主内存读取，并且volatile会影响一定的性能，就不需要同时修饰。

    image.png

    三、有序性

    3.1 什么是有序性

    在Java中，.java文件中的内容会被编译，在执行前需要再次转为CPU可以识别的指令，CPU在执行这些指令时，为了提升执行效率，在不影响最终结果的前提下（满足一些要求），会对指令进行重排。

    指令乱序执行的原因，是为了尽可能的发挥CPU的性能。

    Java中的程序是乱序执行的。

    Java程序验证乱序执行效果：

    1. static int a,b,x,y;
    2. ​
    3. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    4.     for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
    5.         a = 0;
    6.         b = 0;
    7.         x = 0;
    8.         y = 0;
    9. ​
    10.         Thread t1 = new Thread(() -> {
    11.             a = 1;
    12.             x = b;
    13.         });
    14.         Thread t2 = new Thread(() -> {
    15.             b = 1;
    16.             y = a;
    17.         });
    18. ​
    19.         t1.start();
    20.         t2.start();
    21.         t1.join();
    22.         t2.join();
    23. ​
    24.         if(x == 0 && y == 0){
    25.             System.out.println("第" + i + "次，x = "+ x + ",y = " + y);
    26.         }
    27.     }
    28. }

    单例模式由于指令重排序可能会出现问题：

    线程可能会拿到没有初始化的对象，导致在使用时，可能由于内部属性为默认值，导致出现一些不必要的问题

    1. private static volatile MiTest test;
    2. ​
    3. private MiTest(){}
    4. ​
    5. public static MiTest getInstance(){
    6.     // B
    7.     if(test  == null){
    8.         synchronized (MiTest.class){
    9. ​
    10.             if(test == null){
    11.                 // A   ,  开辟空间，test指向地址，初始化
    12.                 test = new MiTest();
    13.             }
    14.         }
    15.     }
    16.     return test;
    17. }

    3.2 as-if-serial

    as-if-serial语义：

    不论指定如何重排序，需要保证单线程的程序执行结果是不变的。

    而且如果存在依赖的关系，那么也不可以做指令重排。

    // 这种情况肯定不能做指令重排序
int i = 0;
i++;
​
// 这种情况肯定不能做指令重排序
int j = 200;
j * 100;
j + 100;
// 这里即便出现了指令重排，也不可以影响最终的结果，20100

    3.3 happens-before

    具体规则：

    1. 单线程happen-before原则：在同一个线程中，书写在前面的操作happen-before后面的操作。

    2. 锁的happen-before原则：同一个锁的unlock操作happen-before此锁的lock操作。

    3. volatile的happen-before原则： 对一个volatile变量的写操作happen-before对此变量的任意操作。

    4. happen-before的传递性原则： 如果A操作 happen-before B操作，B操作happen-before C操作，那么A操作happen-before C操作。

    5. 线程启动的happen-before原则：同一个线程的start方法happen-before此线程的其它方法。

    6. 线程中断的happen-before原则：对线程interrupt方法的调用happen-before被中断线程的检测到中断发送的代码。

    7. 线程终结的happen-before原则：线程中的所有操作都happen-before线程的终止检测。

    8. 对象创建的happen-before原则：一个对象的初始化完成先于他的finalize方法调用。 JMM只有在不出现上述8中情况时，才不会触发指令重排效果。

    不需要过分的关注happens-before原则，只需要可以写出线程安全的代码就可以了。

    3.4 volatile

    如果需要让程序对某一个属性的操作不出现指令重排，除了满足happens-before原则之外，还可以基于volatile修饰属性，从而对这个属性的操作，就不会出现指令重排的问题了。

    volatile如何实现的禁止指令重排？

    内存屏障概念。将内存屏障看成一条指令。

    会在两个操作之间，添加上一道指令，这个指令就可以避免上下执行的其他指令进行重排序。

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  • 原文地址：https://blog.csdn.net/qq_57747969/article/details/133800357