Java核心---线程进阶

Posted 2022-11-25 一位懒得写博客的小学生

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Java核心---线程进阶相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

乐观锁 VS 悲观锁

乐观锁：（CAS（比较并且交换）、ABA、JUC） 乐观锁假设认为数据一般情况下不会产生并发冲突，所以在数据进行提交更新的时候，才会正式对数据是否产生并发冲突进行检测，如果发现并发生冲突了，则让返回用户错误的信息，让用户决定如何去做。
悲观锁：（synchronized） 总是假设最坏的情况，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁。
悲观锁的问题：总是需要竞争锁，进而导致发生线程切换，挂起其他线程；所以性能不高；
乐观锁的问题： 并不总是能处理所有问题，所以会引入一定的系统复杂度。

什么是CAS

CAS: 全称Compare and swap，字面意思:”比较并交换“，一个 CAS 涉及到以下操作

我们假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B。
1. 比较 A 与 V 是否相等。（比较）
1. 如果比较相等，将 B 写入 V。（交换）
1. 返回操作是否成功

当多个线程同时对某个资源进行CAS操作，只能有一个线程操作成功，但是并不会阻塞其他线程,其他线程只会收到操作失败的信号。可见 CAS 其实是一个乐观锁。

CAS 是怎么实现的

针对不同的操作系统，JVM 用到了不同的 CAS 实现原理，简单来讲

java 的 CAS 利用的的是 unsafe 这个类提供的 CAS 操作；
unsafe 的 CAS 依赖了的是 jvm 针对不同的操作系统实现的 Atomic::cmpxchg；
Atomic::cmpxchg 的实现使用了汇编的 CAS 操作，并使用 cpu 硬件提供的 lock 机制保证其原子性

实现

    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    private static final int MAXSIZE = 100000;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                for (int i = 0; i < MAXSIZE; i++) 
                    count.getAndIncrement();
                
            
        );
        t1.start();

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                for (int i = 0; i < MAXSIZE; i++) 
                    count.getAndDecrement();
                
            
        );
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println(count);

CAS的缺点：
ABA问题 -> AtomicInteger 是存在ABA问题
ABA 统一解决方案：增加版本号，每次修改之后更新版本号。AtomicStampedReference()

ABA问题

    private static AtomicReference money = new AtomicReference(100);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        Thread m1 = new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                //转出100元
                boolean res = money.compareAndSet(100,0);
                System.out.println("第一次" + res);
            
        );
        m1.start();
        m1.join();

        Thread m3 = new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                //转入100元
                boolean res = money.compareAndSet(0,100);
                System.out.println("第三次" + res);
            
        );
        m3.start();
        m3.join();
        Thread m2 = new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                //转出100元
                boolean res = money.compareAndSet(100,0);
                System.out.println("第二次" + res);
            
        );
        m2.start();


    

//执行结果
第一次true
第三次true
第二次true

ABA问题解决

    //解决ABA问题
    private static AtomicStampedReference money = new AtomicStampedReference(100,0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        Thread m1 = new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                //转出100元
                boolean res = money.compareAndSet(100,0,0,1);
                System.out.println("第一次" + res);
            
        );
        m1.start();
        m1.join();

        Thread m3 = new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                //转入100元
                boolean res = money.compareAndSet(0,100,1,2);
                System.out.println("第三次" + res);
            
        );
        m3.start();
        m3.join();
        Thread m2 = new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                //转出100元
                boolean res = money.compareAndSet(100,0,0,1);
                System.out.println("第二次" + res);
            
        );
        m2.start();


    

//执行结果
第一次true
第三次true
第二次false

共享锁/非共享锁

共享锁：一把锁可以被多个线程拥有；读写锁中的读锁就是共享锁。
非共享锁：一把锁只能被一个线程拥有。（synchronized）

读写锁

就是将一把锁分为2个，一个用于读数据的锁，另一把锁叫做写锁。读锁是可以被多个线程同时拥有的，而写锁只能被一个线程拥有。

读写锁的具体实现：ReentrantReadWriteLock
读写锁的优势： 锁的粒度更加地小，性能也更高。
注意事项： 读写锁中的读锁和写锁是互斥的。（防止同时读写所产生的脏数据）。

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(true);

        //读锁
        ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = readWriteLock.readLock();

        //写锁
        ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = readWriteLock.writeLock();

        //线程池
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(10,10,0, TimeUnit.SECONDS,new LinkedBlockingDeque<>(1000));
        executor.execute(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                //加锁
                readLock.lock();
                try 
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date());
                    Thread.sleep(3000);
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                 finally 
                    readLock.unlock();
                
            
        );

        executor.execute(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                //加锁
                readLock.lock();
                try 
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date());
                    Thread.sleep(3000);
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                 finally 
                    readLock.unlock();
                
            
        );

        executor.execute(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                writeLock.lock();
                try
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date());
                    Thread.sleep(3000);
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                 finally 
                    writeLock.unlock();
                
            
        );

        executor.execute(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                writeLock.lock();
                try
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + new Date());
                    Thread.sleep(3000);
                 catch (InterruptedException e) 
                    e.printStackTrace();
                 finally 
                    writeLock.unlock();
                
            
        );

    

//执行结果
pool-1-thread-2 Fri May 28 16:10:41 CST 2021
pool-1-thread-1 Fri May 28 16:10:41 CST 2021
pool-1-thread-3 Fri May 28 16:10:44 CST 2021
pool-1-thread-4 Fri May 28 16:10:47 CST 2021

公平锁/非公平锁

公平锁（new ReentrantLock(true)）： 锁的获取顺序必须和线程的先后顺序保持一致。
优点：性能比较高
非公平锁(new ReentrantLock()/new ReentrantLock(false)/synchronized)：锁的获取顺序和线程获取顺序的前后顺序无关（默认锁策略）；
优点：执行时有序的，结果也是可以预期的。

自旋锁

按之间的方式处理下，线程在抢锁失败后进入阻塞状态，放弃 CPU，需要过很久才能再次被调度。但经过测算，实际的生活中，大部分情况下，虽然当前抢锁失败，但过不了很久，锁就会被释放。基于这个事实，自旋锁诞生了。

//只要没抢到锁，就死等
while (抢锁(lock) == 失败)

缺点：如果发生死锁则会一直自旋（循环）,所以会带来一定的额外开销。

可重入锁

可重入锁的字面意思是“可以重新进入的锁”，即允许同一个线程多次获取同一把锁。比如一个递归函数里有加锁操作，递归过程中这个锁会阻塞自己吗？如果不会，那么这个锁就是可重入锁（因为这个原因可重入锁也叫做递归锁）。
Java里只要以Reentrant开头命名的锁都是可重入锁，而且JDK提供的所有现成的Lock实现类，包括synchronized关键字锁都是可重入的。

    private static Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) 
        //第一次进入锁
        synchronized (lock) 
            System.out.println("第一次进入锁");
            synchronized (lock) 
                System.out.println("第二次进入锁");
            
        
    

//执行结果
第一次进入锁
第二次进入锁

怎么理解乐观锁和悲观锁的

乐观锁 -> CAS -> Atomic*，CAS 是由V（内存值）A（预期旧值）B（新值）组成，然后执行的时候是使用 V == A对比，如果结果为 true 则表明没有发生冲突，则可以直接修改，否则不能修改。CAS 是通过调用C++ 实现提供的 Unsafe 中的本地方法（CompareAndSwapXXX）来实现的，C++是通过操作系统中 Atomic：：cmpxchg（原子指令）来实现的。
悲观锁 -> synchronized 在java 中将锁的 ID 存放在对象头来实现的，synchronized 在JVM 层面是通过监视器锁来实现的，synchronized 在操作系统层面是通过互斥锁 mutex 实现。

synchronized （独占锁）锁优化（锁消除）

JDK 1.6 锁升级的过程

无锁
偏向锁（第一个线程第一次访问）将线程ID存储在对象头中的偏向标识。
轻量级锁（自旋）
重量级锁

java.util.concurrent 包下的常见类

Reentrantlock
lock 写在 try 之前
一定要记得在 final 里面进行 unlock

信号量

    public static void main(String[] args) 
        //信号量
        Semaphore semaphore = new Semaphore(2);

        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(10,10,0, TimeUnit.SECONDS,new LinkedBlockingDeque<>(1000));

        for (int i = 0; i < 4; i++) 
            executor.execute(new Runnable() 
                @Override
                public void run() 
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "到达停车场");
                    try 
                        Thread.sleep(1000);
                     catch (InterruptedException e) 
                        e.printStackTrace();
                    

                    //试图获取锁
                    try 
                        semaphore.acquire();
                     catch (InterruptedException e) 
                        e.printStackTrace();
                    

                    //获取到锁了
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入停车场");
                    int num = 1 + new Random().nextInt(5);
                    try 
                        Thread.sleep(num * 1000);
                     catch (InterruptedException e) 
                        e.printStackTrace();
                    
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "离开停车场");

                    //释放锁
                    semaphore.release();
                
            );
        ;

    

//执行结果
pool-1-thread-2到达停车场
pool-1-thread-4到达停车场
pool-1-thread-3到达停车场
pool-1-thread-1到达停车场
pool-1-thread-4进入停车场
pool-1-thread-1进入停车场
pool-1-thread-4离开停车场
pool-1-thread-3进入停车场
pool-1-thread-1离开停车场
pool-1-thread-2进入停车场
pool-1-thread-2离开停车场
pool-1-thread-3离开停车场

计数器 CountDownLauth

CountDownLauth 是如何实现的？

在 CountDownLauth 里面有一个计数器，每次调用 countdown 方法时计数器的数量-1；直到减到0的时候就可以执行 await（）后边的代码。

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        //计数器
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(5);
        for (int i = 1; i < 6; i++) 
            final int finalI = i;
            new Thread(new Runnable() 
                @Override
                public void run() 
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() +
                            " 开始起跑");
                    try 
                        Thread.sleep(finalI * 1000);
                     catch (InterruptedException e) 
                        e.printStackTrace();
                    
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() +
                            " 到达终点");
                    // 将计数器 -1
                    latch.countDown(以上是关于Java核心---线程进阶的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章 
 Java核心---线程进阶
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 java多线程进阶线程池
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