文章目录

  • 多线程并发编程
  • java中的线程安全问题：
  • java中的synchronized关键字
  • java中的volatile关键字
  • java中的原子性操作
  • Unsafe类
  • java指令重排序
  • 伪共享
  • 锁的概述

多线程并发编程

并发是指同一个时间段内多个任务同时都在执行,并且都没有执行结束。
并发任务强调在一个时间段内同时执行，而一个时间段有多个单位时间积累而成，
所以说并发的多个任务在单位时间内不一定同时在执行。

并行是说在单位时间内多个任务同时在执行。

java中的线程安全问题：

共享资源： 资源被多个线程所持有或者说多个线程都可以去访问该资源。
线程安全问题是指多个线程同时读写一个资源并且没有任何同步措施，导致
出现脏数据或者其他不可预见的结果的问题。

java中的synchronized关键字

synchronized块是java提供的一种原子性内置锁，java中的每个对象都可以
把它当做一个同步锁来使用，这些java内置的使用者看不到的锁被称为内部
锁，也叫作监视器锁。

线程的执行代码在进入所以synchronized代码块前会自动获取内部锁，这时候
其他线程访问该同步代码块是会被阻塞挂起。拿到内部锁的线程会在正常退出
同步代码块或者抛出异常后或者在同步块内调用了该内置锁资源的wait系列方法
时释放该内置锁。内置锁是排他锁，也就是当一个线程获取这个锁后，其他线程
必须等待该线程释放锁后才能获取该锁。
java中的线程是与操作系统的原生线程一一对应的，所以当阻塞一个线程时，需要
从用户态切换到内核态执行阻塞操作，这是很耗时的操作，而synchronized的使用
就会导致上下文切换。
除可以解决共享变量内存可见性问题外，synchronized经常被用来实现原子性操作。
synchronized关键字会引起线程上下文切换并带来线程调度开销。

java中的volatile关键字

共享变量的内存可见性问题主要是由于线程的工作内存导致的。

volatile关键字可以确保对一个变量的更新对其他线程马上课件。当一个变量被声明
为volatile时，线程在写入变量时不会把值缓存在寄存器或者其他地方，而是会把值
刷新回主内存。当其他线程读取该共享变量时，会从主内存重新获取最新值，而不是
使用当前的工作内存中的值。
当线程写入了volatile变量值时就等价于线程退出synchronized同步块（把写入工作
内存的变量同步到主内存），读取volatile变量值时就相当于进入同步块（先清空本
地内存变量值，再从主内存获取最新值）。

volatile提供了可见性保证，但不保证操作的原子性。
使用volatile关键字的情况：
写入变量值不依赖变量的当前值时。英文如果依赖当前值，将是获取-计算-写入三步操作，
这三步操作不是原子性的，而volatile不保证原子性。
读写变量值时没有加锁。因为锁本身已经保证了内存可见性，这时候不需要把变量声明为
volatile的。

java中的原子性操作

原子性操作：指执行一系列操作时，这些操作要么全部执行，要么全部不执行。不存在只
执行其中一部分的情况。
java中的CAS操作
CAS即Compare and Swap，其是JDK提供的非阻塞原子性操作，它通过硬件保证了比较-更新
操作的原子性。

CAS操作ABA问题：ABA问题的产生是因为变量的状态值产生了环形转换，就是变量的值可以
从A到B，然后再从B到A。如果变量的值只能朝着一个方向转换，比如A到B，B到C，不构成
环形，就不会存在问题。JDK中AtomicStampedReference类给每个变量的状态值都配备了一个
时间戳，从而避免了ABA问题的产生。

Unsafe类

JDK的rt.jar包中的Unsafe类提供了硬件级别的原子性操作，Unsafe类中的方法都是native方法，
它们使用JNI的方式访问本地C++实现库。

java指令重排序

java内存模型允许编译器和处理器对指令重排序以提高与运行性能，并且只会对不存在数据依赖性的指令重排序。
通过把变量声明为volatile的本身就可以避免指令重排序问题。
写volatile变量时，可以确保volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后。
读volatile变量时，可以确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前。

伪共享

为了解决计算机系统中主内存与CPU之间运行速度差问题，会在CPU与主内存之间添加一级
或者多级告诉缓冲存储器（Cache）。这个Cache一般是被集成到CPU内部的，所以也叫
CPU Cache。

锁的概述

悲观锁：指对数据被外界修改持保守态度，认为数据很容易就会被其他线程修改，所以在数据
被处理前先对数据进行加锁，并在整个数据处理过程中，使数据处于锁定状态。
乐观锁：乐观锁是相对悲观锁来说的，它认为数据在一般情况下不会造成冲突，所以在访问记录
前不会加排他锁，而是在进行数据提交更新时，才会正式对数据冲突与否进行检测。
根据线程获取锁的抢占机制，锁可以分为公平锁和非公平锁。
公平锁表示线程获取锁的顺序是按照线程请求锁的时间早晚来决定的，也就是最早请求锁的线程将
最早获取到锁。而非公平锁则在运行时闯入，也就是先来不一定先得。
ReentrantLock提供了公平和非公平锁的实现。
独占锁和共享锁
根据锁只能被单个线程持有还是能被多个线程共同持有，锁可以分为独占锁和共享锁。
独占锁保证任何时候都只有一个线程能得到锁，ReentrantLock就是以独占方式实现的。
共享锁则可以同时由多个线程持有，例如ReadWriteLock读写锁，它允许一个资源可以被多线程同时
进行读操作。
独占锁是一种悲观锁，由于每次访问资源都先加上互斥锁，这限制了并发性，因为读操作并不会影响
数据的一致性，而独占锁只允许在同一时间由一个线程读取操作，其他线程必须等待当前线程释放锁
才能进行读取。
共享锁则是一种乐观锁，它放宽了加锁的条件，允许多个线程同时进行读操作。

可重入锁
当一个线程获取一个被其他线程持有的独占锁时，该线程会被阻塞。如果当一个线程再次获取它自己
已经获取的锁时不阻塞，那么该锁时可重入的，也就是只要该线程获取了该锁，那么可以无限次数地
进入被该锁锁住的代码。
synchronized内部锁是可重入的。可重入锁的原理是在锁内部维护一个线程标示，用来标示该锁目前被
哪个线程占用，然后关联一个计数器。一开始计数器值为0，说明该锁没有被任何线程占用。当一个线程
获取了该锁时，计数器的值会变成1，这时其他线程再来获取该锁时会返现锁的所有者不是自己而被阻塞挂起。
但是当获取了该锁的线程再次获取锁时返现锁拥有者是自己，就会把计数器值加+1，当释放锁后计数器值-1.
当计数器值为0时，锁里面的线程标示被重置为null，这时候被阻塞的线程会被唤醒来竞争获取该锁。

自旋锁
由于java中的线程是与操作系统中的线程一一对应的，所以当一个线程在获取锁（比如独占锁）失败后，会被
切换到内核态而被挂起。当该线程获取到锁时又需要将其切换到内核态而唤醒该线程。而从用户状态切换到内
核状态的开销是比较大的，在一定程度上会影响并发性能。
自旋锁则是，当前线程在获取锁时，如果发现锁已经被其他线程占有，它不马上阻塞自己，在不放弃CPU使用权
的情况下，多次尝试获取（默认次数是10，可使用XX:PreBlockSpinsh参数设置该值），很有可能在后面几次尝
试中其他线程已经释放了锁。如果尝试指定的次数后仍没有获取到锁则当前线程才会被阻塞挂起。由此看来自旋
锁是使用CPU时间获取线程阻塞与调度的开销，但是很有可能这些CPU时间白白浪费了。