Java 并发基础学习

Posted 2023-02-19 一口仨馍

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三个基础概念

1. 原子性。一个操作或者一系列骚操作，要么全部执行要么全部不执行。数据库中的“事物”就是个典型的院子操作。
2. 可见性。当一个线程修改了共享属性的值，其它线程能立刻看到共享属性值的更改。举个例子：由于JMM(Java Memory Model)分为主存和工作内存，共享属性的修改过程为从主存中读取并复制到工作内存中，在工作内存中修改完成之后，再刷新主存中的值。如果线程A在工作内存中修改完成但还没有刷新主存中的值，线程B看到的值还是旧值。这样可见性就没法保证。
3. 有序性。程序的运行顺序似乎和我们编写逻辑的顺序是一致的，但计算机在实际执行中却并不一定。为了提高性能，编译器和处理器都会对代码进行重新排序。但是有个前提，重新排序的结果要和单线程执行程序顺序一致。

int a = 0;      // 语句A
int b = 1;      // 语句B
int c = a + b;  // 语句C

由于语句A和语句B没有数据依赖。重排序后，语句A和语句B，在计算机中的执行顺序可能是AB也可能是BA，但AB都与C有数据依赖，所以AB都在C前面执行。

Java中控制并发的几种方式

1. volatile
2. synchronized
3. CAS/AQS
4. concurrent并发包

volatile

volatile用来保证可见性和有序性，不保证原子性。

volatile保证的可见性

volatile修饰的属性保证每次读取都能读到最新的值，可是并不会更新已经读了的值，它也无法更新已经读了的值。线程A在工作内存中修改共享属性值会立即刷新到主存，线程B/C/D每次通过读写栅栏来达到类似于直接从主存中读取属性值，注意，是类似，网上有些说volatile修饰的变量读写直接在主存中操作，这种说法是不对的，只是表现出类似的行为。读写栅栏是一条CPU指令，插入一个读写栅栏， 相当于告诉CPU和编译器先于这个命令的必须先执行，后于这个命令的必须后执行（有序性）。读写栅栏另一个作用是强制更新一次不同CPU的缓存。例如，一个写栅栏会 把这个栅栏前写入的数据刷新到缓存，以此保证可见性。

valatile保证的有序性

当对volatile修饰的属性进行读/写操作时，其前面的代码必须已经执行完成且结果对后续的操作可见。在重排序时，以volatile修饰属性的读/写操作代码行为分界线，读/写操作前面的代码不许排序到后面，后面同理不许排序到前面。由此保证有序性.

   // 线程A
    bean = new Bean();     // 语句A
    inited = true;         // 语句B


   // 线程B
    if(inited)            // 语句C
        bean.getAge();     // 语句D
    

在线程A中语句AB没有任何数据依赖，所以可能会被重排序成先执行语句B，后执行语句A。假设线程A先执行完语句B之后（这时还没有执行语句A）被挂起，CPU转而执行线程B，由于bean对象没有初始化，所以在执行到语句D就会出错。如果inited属性用volatile修饰，就不会发生这种错误的重排序。

volatile不保证原子性

由于volatile保证可见性和有序性，被volatile修饰的共享属性一般并发读/写没有问题，可以看做是一种轻量级的synchronized的实现。但有些情况比较特殊，比如i++自增。举个栗子。

volatile int a = 0; // 语句A
a++;                // 语句B

a++。其实包含了两步操作。读取a, 执行a+1并将a+1结果赋值给a。假设线程A执行完第一步之后被挂起。线程B执行了a++。那么主存中a的值为1。但是线程A的工作内存中还是0，由于线程A在之前就已经读取了a的值，执行a++之后再次将a的值刷新到主存，也就是说，a++执行了两次，但两次都是从0变为1。所以a的值最终为1。这里有个槽点，之前说volatile修饰的属性，每次读取都是最新的值，这里线程B执行a++之后，线程A里怎么还是0？应该是1啊！我觉得这是volatile一个比较鸡肋的地方，volatile修饰的属性，如果在修改之前已经读取了值，那么修改之后，无法改变已经复制到工作内存的值。体会一下~

synchronized

synchronized保证原子性、可见性和有序性。用来修饰方法或者代码块。下面是synchronized的一些规则。

1. 根据锁对象的不同，一把锁同时最多只能被一个线程持有。
2. 如果目标锁已经被当前线程持有，其它线程只能阻塞等待其它线程释放目标锁。
3. 如果当前线程已经持有了目标锁，其他线程仍然可以调用目标类中没有被synchronized修饰的方法。

以上规则对下文的Lock同样适用。

锁对象举例

synchronized修饰方法或者synchronized(this)

public class Test 

    static SyncTest test1 = new SyncTest();
    static SyncTest test2 = new SyncTest();

    public static void main(String[] args) 

        new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                test1.syncTwo();
            
        ).start();

        try 
            Thread.sleep(1000);
         catch (InterruptedException e) 
            e.printStackTrace();
        

        test1.syncOne();
    


public class SyncTest 

    public synchronized void syncOne()
        System.out.println("ThreadId : " + Thread.currentThread().getId());
        System.out.println("one");
    

    public void syncTwo()
        synchronized (this) 
            int a =0;
            while(true)
                a++;
                try 
                    Thread.sleep(1000);
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                
                System.out.println("ThreadId : " + Thread.currentThread().getId());
                if(a == 5) break;
            
            System.out.println("two");
        
    


控制台输出：
ThreadId : 10
ThreadId : 10
ThreadId : 10
ThreadId : 10
ThreadId : 10
two
ThreadId : 1
one

为了先调用test1.syncTwo()，这里先将主线程暂停1s。从控制台输出可以发现，子线程确实被阻塞了，从而说明synchronized修饰方法或者synchronized(this)，获得的都是实例对象的锁。

如果将test1.syncOne()换成test2.syncOne();那么主线程就不会阻塞了。控制台输出为：

ThreadId : 1
one
ThreadId : 10
ThreadId : 10
ThreadId : 10
ThreadId : 10
ThreadId : 10
two

synchronized(xxx.class)/synchronized static

public class SyncTest 

    public synchronized static void syncOne() 
        System.out.println("ThreadId : " + Thread.currentThread().getId());
        System.out.println("one");
    

    public void syncTwo() 
        synchronized (SyncTest.class) 
            int a = 0;
            while (true) 
                a++;
                try 
                    Thread.sleep(1000);
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                
                System.out.println("ThreadId : " + Thread.currentThread().getId());
                if (a == 5)
                    break;
            
            System.out.println("two");
        
    

如果将SyncTest中的synchronized(this)换成synchronized(SyncTest.class)/synchronized static。那么无论调用test1.syncOne()还是test2.syncOne()，主线程都会阻塞。synchronized(SyncTest.class)/synchronized static这种写法，保证对TestSync类的访问，同一时刻只能有一个线程持有锁。

synchronized实现的是阻塞型并发，synchronized修饰的范围越大，瓶颈越高。为了解决这种问题，由此又有减小锁范围、减小锁粒度和锁分段之说。鉴于篇幅，详细还请自行查看。

CAS

CAS(compare and swap)，即比较并交换。synchronized锁住的代码块，同一时刻只能由一个线程访问。属于悲观锁。相对于这种需要挂起线程的悲观锁，还一种由CAS实现的乐观锁。CAS包含三个部分：

1. 内存地址A
2. 预期旧值B
3. 预期新值C

在进行CAS操作时，首先比较A和B，如果相等，则更新A中的值为C并返回true。否则，返回false。通常CAS伴随着死循环，以不断尝试更新的方式实现并发。伪代码如下：

public boolean compareAndSwap(long memoryA, int oldB, int newC)
    if(memoryA.get() == oldB)
        memoryA.set(newC);
        return true;
    
    return false;

相对于synchronized省去了挂起线程、恢复线程的开销，但是如果迟迟得不到更新，死循环对CPU资源也是一种浪费。

使用CAS有个“先检查后执行”的操作，而这种操作在Java中是典型的不安全的操作，所以CAS在实际中是由C++通过调用CPU指令实现的。CAS在Java中的体现为Unsafe类，Unsafe类会通过C++直接获取到属性的内存地址，接下来CAS由C++的Atomic::cmpxchg方法实现。这个方法会在CPU指令中添加lock指令，而带有lock前缀的指令在执行期间会锁住总线，使得其它处理器暂时无法通过总线访问内存。具体可参考这篇文章。我觉得CAS相对于synchronize，本质上也是一种阻塞的实现。只是阻塞的粒度（CPU指令级别）更小。

AQS

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）中维护着一个volatile修饰的属性“state”和一个双向链表，通过使用Unsafe中CAS对“state”属性的一些列骚操作(实际就是把state当做标志位)实现独占锁和共享锁，独占锁和共享锁又分为公平锁和非公平锁。

1. 独占锁：同一时刻只有一个线程持有同一锁，其余线程在链表中排队。
2. 共享锁：同一时刻可以多个线程持有同一锁。
3. 公平锁：锁被线程持有后，其余线程排队执行。锁按照FIFO放入链表。
4. 非公平锁：锁被线程持有后，其余线程排队执行。锁按照FIFO放入链表。但是在刚释放锁的之后，如果有新线程竞争锁，那么新线程将和链表中下个即将被唤醒的线程竞争锁。

关于AQS，我找到两篇比较好的文章，这里就不赘述了。想深入了解的可以看下源码。

深度解析Java 8：JDK1.8 AbstractQueuedSynchronizer的实现分析（上）

深度解析Java 8：AbstractQueuedSynchronizer的实现分析（下）

concurrent

JDK在java/util/concurrent提供了很多常用的并发类及并发容器类。并发类基本是通过lock(CAS/AQS)实现，并发容器基本是通过synchronize和lock(CAS/AQS)实现的。这是一篇基础，有机会再慢慢补齐这些。作者水平有限，如有错误，接受有偿指正~