Java并发编程（juc理论篇）

ihgry
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CAS

  • CAS(Compare And Swap)，处理器会比较当前内存地址上的值 和 线程中变量的值（预期值）是否相等，如果相等则替换内存地址上的值为新值，如果不相等则不更新，硬件层面上支持使用一条指令来实现上面的操作，x86中是cmpxchgl指令
  • CAS操作不涉及线程上下文切换，并且不使用锁，会提高系统的并发性

1.png

  • ABA问题：一个线程将变量A改为了变量B，之后又改为了变量A，另一个线程在执行CAS操作时会认为该变量没有发生变化，可能会导致错误。解决方案：添加版本号进行对比，可以使用AtomicStampedReference类

Synchorized

  • synchorized修饰实例方法时，锁对象是当前的实例对象；synchorized修饰静态方法时，锁对象是当前的class类对象；synchorized作用于代码块时，锁对象是括号里面的对象
  • synchorized是可重入锁，一个线程可以重复获取到该锁，每获取一次锁，计数器加一，释放锁时，计数器减一，直到计数器为0，锁才会真正释放

锁升级过程：

  • 在没有锁竞争的情况下，一个线程来加锁，JVM会向锁对象的对象头中写入该线程id (这时候的锁叫偏向锁)，后续该线程再进入该锁时，无需进行额外的同步操作
  • 在锁轻度竞争的时候，会升级为轻量级锁，JVM会在当前线程中创建一个栈帧，通过CAS操作将这个栈帧的地址写入对象头中，如果成功表示该线程获取到了锁，如果失败则表示其他线程已经持有该锁，此时会升级为重量级锁
  • 当锁竞争激烈时，JVM会升级为重量级锁，synchorized修改代码块时，线程会尝试获取monitor对象的所有权，抢到了就是成功获取到锁，抢不到线程就会阻塞，等待重新获取锁

锁栈帧.jpg

锁膨胀

Synchorized和ReentrantLock

  • synchorized和ReentrantLock 都是可重入锁
  • synchorized是非公平锁，不支持条件判断，不支持设置超时时间，不需要手动释放锁
  • ReentrantLock既可以是非公平锁也可以是公平锁（默认是非公平锁），允许设置获取锁的超时时间

ThreadLocal

  • 基本使用

    public class UserContext {
    private static ThreadLocal<User> CONTEXT = new ThreadLocal<User>();

    public static User getUser() {
        return CONTEXT.get();
    }

    public static void setUser(User user) {
        CONTEXT.set(user);
    }
    
    public static void remove() {
        CONTEXT.remove();
    }
}

  • 每个线程内部维护了一个ThreadLocalMap对象，ThreadLocalMap以ThreadLocal为key，线程变量副本为value

  • ThreadLocalMap中的key是弱引用，java中所使用的线程往往是线程池中的线程，一般不会被销毁，对ThreadLocal的引用就会一直存在，导致内存释放不掉

Thread.jpg

Volatile

  • volatile可以保证可见性，当一个线程修改了volatile变量的值后，新值会立即被刷新到主内存中，其他线程在读取该变量时可以立即获取到最新的值，避免由于缓存一致性问题导致 ”看见“旧值的现象
  • volatile底层会加一个lock前缀指令进行总线锁定，总线监听到修改了共享数据后，会让其他处理器中的缓存更新或失效
  • volatile可以禁止 jvm 指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。正常情况：1. 为对象分配内存，2. 初始化，3. 将对象引用指向对应内存地址。指令重排可能变成1 3 2，这样可能会发生问题

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其他内容

死锁：两个线程都想获取对方已经拥有的锁，避免死锁的方法：

  • 避免在一个锁的代码块中再次尝试获取另一个锁
  • 使用尝试获取锁的方法，比如ReentrantLock的trylock方法，Semaphore的tryAcquire方法，如果获取不到使用其他方案
  • 减小锁的控制范围

线程安全的方式

  • 同步锁：synchorized、ReentrantLock
  • 原子操作类：AtomicInteger、AtomicReference
  • 线程安全的容器：ConcurrentHashMap等，避免手动加锁
  • 使用局部变量

原子性、可见性、有序性

  • 原子性：一组操作要么全部执行成功，要么全部不执行
  • 可见性：一个线程修改共享变量的值后，其他线程能够立即看到这个修改后的值
  • 有序性：程序的执行顺序和代码的先后顺序一致，但是多线程环境下，编译器会对指令进行重排序，进而出现并发问题

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