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并发编程

article 2024/11/13 10:02:19

什么是并发编程？

并行：在同一个时间节点上，多个线程同时执行(是真正意义上的同时执行)

并发：一个时间段内，多个线程依次执行。

并发编程：在例如买票、抢购、秒杀等等场景下，有大量的请求访问同一个资源。会出现线程安全的问题，所以需要通过编程来解决多个线程依次访问资源，称为并发编程。

并发编程的根本原因：

多核cpu的出现，真正意义上可以做到并行执行
java内存模型（JMM）

java内存模型，规范了Java虚拟机与计算机内存是如何协同工作的。

将内存分为主内存和工作内存。两个线程同时操作，会导致出错，本质原因在于内存模型设计。

共享数据存储在主内存中，每个线程都有各自的工作内存。操作共享数据时，会将主内存中的数据复制一份到工作内存中操作，操作完成后，再写回到主内存中。

但是一旦两个线程同时进行操作，读取共享数据，两个线程各自在工作内存中修改后，同时又写到主内存，这样就会与预期的结果不同。（AB两个线程同时操作变量n）

一、并发编程核心问题

由于java内存模型的设计，多线程操作一些共享的数据时，出现以下3个问题：

（1）不可见性：A线程在工作内存中操作共享数据时，B线程不知道A线程已经修改了数据。

（2）无序性：为了优化性能，有时候会改变程序中语句的先后顺序，以提高速度。

int a = 10;

io.read();//从其他地方读数据

int b = 5;

int c=a+b;

但是为了优化，第2行需要从其他地方读数据需要时间；系统可能将3行代码乱序执行，例如 1、3、2的顺序执行。

有时，看似没有关系的代码乱序执行，可能会对后面的代码产生影响。

（3）非原子性：

一个或多个操作在CPU执行的过程中不被中断的特性，我们称为原子性。原子性是拒绝多线程交叉操作的，同一时刻只能有一个线程来对它进行操作。

高级语言里一条语句往往需要多条CPU指令完成。如 count++，至少需要三条CPU指令。

首先，需要把变量 count 从主内存加载到工作内存；
之后，在工作内存执行 +1 操作；
最后，将结果写入主内存;

解决办法：

让不可见变为可见
让无序变为有序
非原子执行变为原子(加锁)，由于线程切换执行导致

缓存(工作内存) 带来了不可见性；指令重排优化带来了无序性；线程切换带来了非原子性。

volatile可以解决前两个问题，加锁可以解决所有问题。

二、volatile关键字

volatile修饰的共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量），被一个线程修改后，可以同步更新到其他线程，让其他线程中立即可见。volatile修饰的共享变量，指令是有顺序的。

但是volatile不能解决原子性问题，原子性问题由于线程切换执行导致。

volatile底层实现原理：

使用内存屏障(指令)进行控制。

有序性实现：volatile修饰的变量，在操作前添加内存屏障，来禁止指令重排序。
可见性实现：volatile修饰的变量添加内存屏障之外，还通过缓存一致性协议(MESI)将数据写回到主内存，其他工作内存嗅探后，如果自己工作内存中的数据过期，重新从主内存读取最新的数据。

三、如何保证原子性

同一时刻只有一个线程执行，称之为互斥。如果我们能够保证对共享变量的修改是互斥的，那么就能保证原子性了。

1、锁

只有通过加锁的方式，让线程互斥执行，来保证一次只有一个线程对共享资源进行访问。

synchronized：关键字；修饰代码块、方法；自动获取锁，自动释放锁

ReentrantLock：类；只能对某段代码修饰；需要手动加锁，手动释放锁

2、原子变量

在java中还提供一些原子类，在低并发情况下使用，是一种无锁实现。

JUC(java.util.concurrent包)中，里面的locks包和atomic包，它们可以解决原子性问题。

1.原子类原理（AtomicInteger 为例）

原子类的原子性是通过volatile+CAS实现原子操作的。

低并发情况下：使用原子类 AtomicInteger，底层有一个变量通过volatile关键字修饰的，结合CAS机制实现。

2.CAS（重点）

采用CAS机制（Compare-And-Swap比较并交换），是一种无锁实现，在低并发情况下使用。CAS是乐观锁的方式，采用的是自旋的思想。

采用自旋思想:

（1）第一次从内存中读到内存值V

（2）对数据进行修改，将改变后的值写入到内存时，需要重新读取内存中最新的值，作为预期值A

（3）在写入前比较预期值与内存值，看是否一致：

如果一致，说明其他线程没有修改内存中的值，将更新后的值，写入到内存；
如果不一致，说明其他线程修改了主内存中的值，就需要重新计算变量值，反复这一过程。--->自旋

优点：

不加锁，所有的线程都可以对共享数据操作；
适合低并发使用，因为所有线程不会进入阻塞状态

缺点：

大并发时，不停自旋判断，导致cpu占用率高

3.ABA问题

ABA问题，即线程1读取到内存值，线程2将内存值由A改为了B，再由B改为了A。当线程1去判断时，预期值与内存值相同，无法分辨内存值是否发生过变化。

通过设置版本号，每次操作改变版本号，来避免ABA问题。如原先的内存值为（A，1），线程修改为（B，2），再修改为（A，3）。此时另一个线程使用预期值（A，1）与内存值（A，3）进行比较，只需要比较版本号1和3，即可发现该主内存中的数据被更新过了。

四、java中的锁

一些锁的名称指的是锁的特性、设计、状态，并不是都是锁。

1、乐观锁/悲观锁

乐观锁：没有加锁，不加锁的方式是没有问题的。例如CAS机制

悲观锁：必须加锁。悲观的认为，不加锁的并发操作一定会出问题。

2、可重入锁

synchronized和ReentrantLock是可重入锁，可以避免死锁。

A方法和B方法是两个同步方法，在同一个类中，用同一把锁，先进入到同步方法A中，锁被使用，在方法A调用方法B依然可以进入到方法B。（此时方法A还没有释放锁）

如果不是可重入锁的话，方法B不会被当前线程执行。

3、读写锁

ReentrantReadWriteLock，里面有一个读锁和写锁。

读读不互斥：只有读没有写，可以多个线程同时读
读写互斥：一旦有写操作，读写不同同时进行。
写写互斥：多个写互斥

4、分段锁

不是锁，是一种锁实现思想：用于将数据分段，并在每个分段上都会单独加锁，以提高并发效率。

举例：Hashtable是将整合hash表格锁住了，一次只能有一个线程操作并发量低，效率低。

ConcurrentHashMap将每个哈希位置当做一个锁，可以有多个线程对map进行操作，一次只能有一个线程操作一个位置.

5、自旋锁

不是锁。是自己重试，当线程抢锁失败后，重试几次，如果抢到锁了就继续，如果抢不到就阻塞线程。

6、共享锁/独占锁

共享锁：一个锁可被多个线程共享，例如读写锁中的读锁。

独占锁：一次只能有一个线程操作。例如：Synchronized、ReentrantLock，读写锁中的写锁。

7、公平锁/非公平锁

公平锁：按照请求的顺序执行（排队，先来来执行）。

非公平锁：不按照请求顺序执行，谁先抢到谁先执行。

synchronized是一种非公平锁。ReentrantLock默认是非公平锁，但是底层可以通过AQS来实现线程调度，使其变成公平锁。

五、synchronized锁

1、锁的状态

在synchronized锁的底层实现中，提供4种锁的状态，又来区别对待。（锁的状态在同步锁对象的对象头中，有一个区域叫Mark Word中存储）

无锁状态：没有线程进入。
偏向锁：始终只有一个线程访问同步代码快，记录线程的编号，快速的获取锁。
轻量级锁：当锁状态为偏向锁时，还有其他线程访问，此时升级为轻量级锁。特点：当一个线程获取锁之后，其他线程不会阻塞，会通过自旋方式获取锁，提高效率。
重量级锁：当锁的状态为轻量级锁时，线程自旋达到一定的次数，还没有获取到锁，就会进入到阻塞状态，锁状态升级为重量级锁，等待操作系统调度。

2、对象结构

在Hotspot虚拟机中，对象在内存中分为三块区域：对象头、实例数据和对齐填充；synchronized使用的锁对象是存储在对象头里。

对象头中有一块为Mark Word，用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC 分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID等等。

32位操作系统Mark Word为32bit，64 位操作系统Mark Word为64bit。下面就是对象头的一些信息：

3、synchronized锁实现

synchronized锁是依赖底层编译后的指令，添加锁的监视器实现，需要我们提供一个同步对象，来记录是否加锁、以及锁的状态。

六、AQS

全称为（AbstractQueuedSynchronizer），这个类在java.util.concurrent.locks包下面。抽象同步队列，是java代码实现线程同步非常重要的一个底层实现类。

思路:

在类中定义了一个state变量（初始化为0，表示有没有线程访问共享资源）和一个双向链表队列（head结点代表当前占用的线程）。
有线程访问时，第一个抢到执行权的线程放在头节点，将state加1。期间如果有其他的线程访问时，如果state=1，将其他线程添加到队列中，等待锁的释放。

state由于是多线程共享变量，所以定义成volatile，以保证state的可见性，但不能保证原子性，所以AQS提供了对state的原子操作方法，保证了线程安全。

队列由Node对象组成，Node是AQS中的内部类。

AQS 的锁模式分为：独占和共享

独占锁：每次只能有一个线程持有锁，比如ReentrantLock是以独占方式实现的。

共享锁：允许多个线程同时获取锁，并发访问共享资源，比如ReentrantReadWriteLock

ReentrantLock锁实现

ReentrantLock是java.util.concurrent.locks包下的类，实现Lock接口。

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable{ }

ReentrantLock基于AQS，在并发编程中可以实现公平锁和非公平锁来对共享资源进行同步。ReentrantLock类内部总共存在Sync、NonfairSync、FairSync三个类，NonfairSync与FairSync类继承自Sync类，Sync类继承自AbstractQueuedSynchronizer抽象类。

ReentrantLock构造方法：

无参构造方法默认是非公平实现
有参构造方法可以选择，true—公平实现，false—非公平实现

NonfairSync类继承了Sync类，表示采用非公平策略获取锁，其实现了Sync类中抽象的lock方法。

static final class NonfairSync extends Sync {
//若通过 CAS 设置变量 state 成功，就是获取锁成功，则将当前线程设置为独占线程。
//若通过 CAS 设置变量 state 失败，就是获取锁失败，则进入 acquire 方法进行后续处理。
    final void lock() {
        if (compareAndSetState(0, 1))//每个线程进入到lock方法时,会尝试获取锁,有可能获取到了
            setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
        else//获取不到，将线程添加到队列中，排队获取锁
            acquire(1);
    }
	//尝试获取锁,无论是否获得都立即返回
    protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
}

FairSync类也继承了Sync类，表示采用公平策略获取锁，其实现了Sync类中的抽象lock方法。

static final class FairSync extends Sync {
    final void lock() {//公平锁，默认排队获取锁
        acquire(1);
    }
}

七、JUC常用类

1、ConcurrentHashMap

HashMap是线程不安全的，不能在多线程环境下使用

Hashtable是线程安全的，但是synchronized直接锁住的是整个方法，效率低（public synchronized V put(K key,V value{})）

ConcurrentHashMap是线程安全的，效率高于Hashtable。

不像Hashtable将整个方法锁起来，将每个位置的第一个节点当做锁对象，将锁的力度减小，进而提高了效率；同时可以有多个线程对ConcurrentHashMap进行操作，如果多个线程操作的是同一个位置，那么必须等待，因为用的是同一把锁。当算出的位置，第一个节点为null时，采用CAS机制添加。

Hashtable和ConcurrentHashMap不支持存储null键和null值。源码中看到为null，就报空指针异常。为什么这样设计呢？

为了消除歧义，因为无法分辨key的值为null还是key不存在返回的null，这在多线程里面是模糊不清的，所以压根就不让 put null。

2、CopyOnWriteArrayList

ArraayList是线程不安全的，在高并发情况下可能会出现问题；

Vector是线程安全的，get、add方法都加锁，读读都互斥，效率低。

CopyOnWriteArrayList在读的时候不加锁，写入也不会阻塞读取操作，只有同时写入和写入之间需要进行同步等待，提高了读的效率。

CopyOnWriteArrayList在进行add、set等修改操作时，是通过底层数组的副本实现的。先将底层数组进行复制，修改复制出来的数组，修改后将数据赋值给原来的底层数组。写入时，不影响其他线程读

3、CopyOnWriteArraySet

CopyOnWriteArraySet线程安全的，底层使用的是CopyOnWriteArrayList不能存储重复数据

4、辅助类 CountDownLatch

CountDownLatch允许一个线程等待其他线程各自执行完毕后再执行。底层实现是通AQS来完成的，创建CountDownLatch对象时指定一个初始值（线程的数量）。每当一个线程执行完毕后，AQS内部的state就-1，当state的值为0时，表示所有线程都执行完毕，然后等待的线程就可以恢复工作了。

八、对象引用

在JDK1.2版之后，Java对引用的概念进行了扩充，将引用分为：

强引用
软引用（SoftReference）
弱引用（WeakReference）
虚引用（PhantomReference）

这4种引用强度依次逐渐减弱。除强引用外，其他3种引用均可以在java.lang.ref包中找到它们的身影。

1、强引用（不是垃圾）

有引用指向该对象，Object obj = new Object(); 这种情况下new出来的对象不能被垃圾回收的。

软引用、弱引用、虚引用都是用来标记对象的一种状态。当一些对象称为垃圾后，通过不同的状态来判断什么时候被清理。可以继承SoftReference、WeakReference、PhantomReference或者把自己的对象添加到软、弱、虚的对象中。

2、软引用（内存不足时回收）

被软引用关联的对象，被判定为垃圾时，可以不用立即回收；直到垃圾回收后内存仍然不够用时，才会回收软引用关联的对象。

Object obj = new Object();// 声明强引用
SoftReference<Object> sf = new SoftReference<>(obj);
obj = null; //销毁强引用

3、弱引用（发现时回收）

弱引用管理的对象，只能存活到下一次垃圾回收。

4、虚引用（对象回收跟踪）

最弱的引用，对对象的生命周期没有任何的影响，跟踪对象是否被回收（如果对象被回收后，会给队列返回信息）

Object obj = new Object();
ReferenceQueue phantomQueue = new ReferenceQueue();//声明引用队列
PhantomReference<Object> sf = new PhantomReference<>(obj,phantomQueue);//声明虚引用（还需要传入引用队列），如果对象被回收后，会给队列返回信息
obj = null;

九、线程池

1、池的概念

如果并发的线程数量很多，并且每个线程都是执行一个时间很短的任务就结束了，频繁创建线程和销毁线程需要时间。可以事先创建出一些连接对象，每次使用时，从集合中直接获取，用完不销毁。减少频繁创建、销毁。

在 JDK5 版本中增加了内置线程池实现 ThreadPoolExecutor，同时提供了Executors来创建不同类型的线程池。

池的好处：减少频繁创建销毁时间，统一管理线程，提高速度。

2、ThreadPoolExecutor类

Java.uitl.concurrent.ThreadPoolExecutor类是线程池中最核心的一个类，因此如果要透彻地了解Java中的线程池，必须先了解这个类。

ThreadPoolExecutor继承了AbstractExecutorService类，并提供了四个构造器，但是前三个构造器都是调用的第四个构造器进行的初始化工作。

3、构造器中各个参数的含义

1.corePoolSize

核心池的大小，一旦创建不会被销毁的；非核心池中的线程，在没有被使用时，可以被回收。

2.maximumPoolSize

线程池最大线程数量，包含核心池中的数量。

3.keepAliveTime

非核心线程池中的线程，在不被使用后，多久就终止。（假如核心线程池5个，最大数量10，但是任务少的情况下，核心线程池够用了，等多长时间，就把非核心线程池中的线程终止）

4.unit

为keepAliveTime设置时间单位，有7种取值。

5.workQueue

一个阻塞队列，用来存储执行的任务。有以下工作队列：

ArrayBlockingQueue：数组实现的有界阻塞队列，创建时必须设置长度，按FIFO排序。
LinkedBlockingQueue：链表结构的阻塞队列，按FIFO排序任务，容量可以选择进行设置，不设置是一个最大长度为 Integer.MAX_VALUE；

6.threadFactory

创建线程的工厂。

7.handler

拒绝策略。当线程池中的核心池、阻塞队列、非核心池已满时，如果有任务继续到达，如何执行。有以下四种拒绝策略：

AbortPolicy()；直接抛出异常，拒绝执行。
CallerRunsPolicy()；交由当前提交任务的线程执行（如果任务被拒绝了，则由提交任务的线程(例如:main)直接执行此任务）
DiscardOldestPolicy()；丢弃等待时间最长的任务。
DiscardPolicy()；直接丢弃，不执行。

4、线程池的执行

创建完成ThreadPoolExecutor之后，当向线程池提交任务时，通常使用execute方法。 execute方法的执行流程图如下：

当请求到来时，如果核心线程池没有满，就提交到核心线程池，如果核心线程池已满，则添加到队列中（前提是队列没有满）；如果队列中已满，则在非核心线程中创建线程，直到到达最大线程数量；如果非核心线程池也已经满了，那么则使用适当的拒绝策略处理。

execute与submit的区别

execute() 提交任务，没有返回值
submit() 提交任务，可以有返回值（任务需要实现callable接口）

关闭线程池

shutdownNow() 直接关闭，对还未开始执行的任务全部取消
shutdown() 等待任务执行完关闭

//任务
public class MyTask implements Runnable {
    private int taskNum;

    public MyTask(int num) {
        this.taskNum = num;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.currentThread().sleep(4000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":task "+taskNum+"执行完毕");
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        //创建线程池
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(2,
                                     5, 200,
                                     TimeUnit.MILLISECONDS,
                                     new ArrayBlockingQueue<>(2),
                                     Executors.defaultThreadFactory(),
                                     new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());
        executor.prestartAllCoreThreads();

        for(int i=1;i<=8;i++){
            MyTask myTask = new MyTask(i);
            executor.execute(myTask);//添加任务到线程池
           //Future<?> submit = executor.submit(myTask);
                        //submit.get();//返回值
        }
        executor.shutdown();
    }
}

十、ThreadLocal

本地线程变量，可以为每个线程都创建一个属于自己的变量副本，使得多个线程之间隔离，不影响。（在每一个线程里都有一个自己的localNum）

package com.ffyc.javapro.thread.threadlocal;

public class ThreadLocalDemo {

    //创建一个ThreadLocal对象,复制保用来为每个线程会存一份变量,实现线程封闭
    private  static ThreadLocal<Integer> localNum = new ThreadLocal<Integer>(){
        @Override
        protected Integer initialValue() {
            return 0;
        }
    };

    public static void main(String[] args) {
          new Thread(){
              @Override
              public void run() {
                   localNum.set(1);
                  try {
                      Thread.sleep(2000);
                  } catch (InterruptedException e) {
                      e.printStackTrace();
                  }
                  localNum.set(localNum.get()+10);
                  System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+localNum.get());//11
              }
          }.start();

        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                localNum.set(3);
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                localNum.set(localNum.get()+20);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+localNum.get());//23
            }
        }.start();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+localNum.get());//0（main线程）
    }
}

ThreadLocal底层实现：

在一个线程中使用ThreadLocal时，为每个当前线程创建了一个ThreadLocalMap，看似用唯一的ThreadLocal对象作为键，其实每个线程中都有一个属于自己的ThreadLocalMap，所以每个线程中都有一个自己的变量副本。

ThreadLocal会造成内存泄漏：

由于ThreadLocal被弱引用关联，有可能在下一次垃圾回收时被回收掉，会导致key为null，而value还存在着强引用。但是value却被Entry对象关联，Entry又被ThreadLocalMap关联，ThreadLocalMap又被Thread关联，要是当前线程长期不结束，value就不能被销毁，但是key有可能已被回收，就获取不到value造成内存泄漏。

正确的使用：不再使用这个本地线程变量后，将其主动删除掉，调用remove方法删除。

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http://www.kler.cn/a/109036.html