并发系列1-- JAVA并发基础

Posted 2021-06-26 Cessi

一.并发三要素

1.可见性

一个线程对共享变量进行修改，另外一个线程能够立刻看到。由cpu缓存引起的问题

2.原子性

多个连续操作，执行过程中视为整体，不能被其他任务打断。常见于数据库的数据更新

x=10;  //具有原子性，线程执行这个语句会直接将数值写入内存
y=x;   //不具有原子性，包含两个操作,但是每个操作都是原子操作，读取x的值，将值赋给y
x++;   //同上，包含三个原子操作
x=x+1; //同上，包含三个原子操作

3.有序性

编译器、指令、内存会对执行顺序进行重新排序

二、JVM解决并发问题

1.JVM内存模型规范JVM按照需求禁用缓存和编译优化的方法：

    volatile、synchronized和final关键字

synchronized关键字

• 一个锁只能同时被一个线程获取
• 每个实例的锁（this）是独立的，相互之间不影响。（对象为*.class和static方法除外）
• synchronized修饰方法，不管是执行完毕还是异常，都会释放锁

2.Happens-before原则

前一个操作对于后续操作是可见的，JMM为可满足编译器和处理器的约束尽量少，遵循的规则为，不改变程序结果的前提下，尽可能提高程序的执行并行度。Happens-before原则遵循以下规则：

• 程序顺序规则：单个线程中，按照程序顺序，后续关联操作是可以看到前面操作的结果的
• 监视器锁规则：多线程访问一段带锁的代码段，后访问的线程能看到前面线程的操作结果
• volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对于这个域的读
• 传递性：容易理解~
• start()规则：主线程A启动子线程B，B启动时能看到A启动B之前的所有操作
• join()原则：主线程A启动子线程B，如果A执行join并且成功返回，则B任意操作happens-before于A操作返回

三、线程安全概念

线程安全是有级别的，按照安全强弱分为五类

不可变（Immutable）

对象一定是线程安全的，不需要任何保障措施。

手段：final关键字修饰的基础数据类型，String，枚举类型，Number部分子类

绝对线程安全

不需要有任何同步措施

相对线程安全

保障对象单独操作是线程安全的，但是对于特定顺序的连续调用需要保障正确性

java中的线程安全类都是这个类型，例如vector、HashTable、Collections的synchronizdCollection方法包装的集合等

//如下代码中，如果获取线程获取的是已删除的元素，则会抛出ArrayIndexOutOfBoundsException，同步vector之后则不会产生此问题
executorService.execute(() -> {
    synchronized (vector) {
        for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
            vector.remove(i);
        }
    }
});
executorService.execute(() -> {
    synchronized (vector) {
        for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
            vector.get(i);
        }
    }
});

线程兼容 

      线程兼容并不指的是对象本身线程安全，但是可以利用正确的同步手段在并发环境中使用。例如ArrayList与HashMap

线程对立

无论调用端是否使用同步措施，都无法在并发中保障同步。

 四、线程安全的实现方法

1.互斥同步

java提供两种锁机制实现共享资源的互斥访问，第一种是JVM实现的synchronied，另外一个是JDK实现的ReentrantLock。

synchronized可用于对象，类.class，方法

区别：

• synchronized是JVM天然支持，而ReentrantLock是JDK实现
• 当等锁时间过长，ReentrantLock可中断放弃等待，synchronized不行
• synchronized是非公平锁，ReentrantLock默认非公平锁，但可设置为公平锁
• ReentrantLock可同时绑定多个Condition对象

2.非阻塞同步

同步互斥会导致线程等待，因此成为阻塞同步。而非阻塞同步是乐观并发策略，先进性操作，如果没有其他线程争用共享数据则操作成功，否则不断进行 补偿措施。

(1)CAS

比较交换策略，硬件可支持此策略。内存地址V，旧的值A，新的值B。当执行操作时，V等于A时，才将V的值更新为B

(2)AtomicInteger

J.U.C包的一系列方法，最终底层调用了unsafe类的方法，最终调用compareAndSwapInt类来进行操作，在dowhile里面进行循环尝试，直到预期值与预期一样

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

(3)ABA

如果一个值原来是A，后面变更为B，最后变更为A，则CAS认为改值没有改变过。

J.U.C提供AtomicStampedReference 带有标记的原子引用类解决这个问题，记录版本信息。

 3.无同步方案

如果内存不共享，则不需要进行同步

(1)栈封闭

栈内数据属于临时变量，不是线程共享的

(2)线程本地存储

例如Java的ThreadLock类实现此类功能，每一个Thread都有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap 对象

(3)可重入代码（Reentrant Code）

可在代码执行的任意时候中断，控制权返回后继续执行不会导致任何错误。例如存储在堆上的静态资源，常量等。