【并发编程】三大基础特性

程序员波特

发布于 2024-04-20 10:32:23

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发布于 2024-04-20 10:32:23

文章被收录于专栏：魔法书

一、原子性

1.1 什么是并发编程的原子性

JMM（Java Memory Model）。不同的硬件和不同的操作系统在内存上的操作有一定差异的。

Java为了解决相同代码在不同操作系统上出现的各种问题，用JMM屏蔽掉各种硬件和操作系统带来的差异。

让Java的并发编程可以做到跨平台。JMM规定所有变量都会存储在主内存中，在操作的时候，需要从主内存中复制一份到线程内存（CPU内存），在线程内部做计算。然后再写回主内存中（不一定！）。

原子性的定义：原子性指一个操作是不可分割的，不可中断的，一个线程在执行时，另一个线程不会影响到他。

并发编程的原子性用代码阐述：

package cn.pottercoding.juc;

/**
 * <p>
 *     原子性
 * </p>
 *
 * @author potter
 * @since 2024-03-30
 */
public class AtomicDemo {
    private static int count;

    public static void increment(){
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                increment();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                increment();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

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

        System.out.println(count);
    }
}

当前程序：多线程操作共享数据时，预期的结果，与最终的结果不符。

原子性：多线程操作临界资源，预期的结果与最终结果一致。

通过对这个程序的分析，可以查看出，++的操作，一共分为了三部，首先是线程从主内存拿到数据保存到CPU的寄存器中，然后在寄存器中进行+1操作，最终将结果写回到主内存当中。

1.2 保证并发编程的原子性

1.2.1 synchronized

因为++操作可以从指令中查看到

可以在方法上追加synchronized关键字或者采用同步代码块的形式来保证原子性

synchronized可以避免多线程同时操作临界资源，同一时间点，只会有一个线程正在操作临界资源

1.2.2 CAS

到底什么是CAS？compare and swap也就是比较并交换，它是一条CPU的并发原语。

它在替换内存的某个位置的值时，首先查看内存中的值与预期值是否一致，如果一致，执行替换操作。这个操作是一个原子性操作。

Java中基于Unsafe的类提供了对CAS的操作的方法，JVM会帮助我们将方法实现CAS汇编指令。

但是要清楚CAS只是比较和交换，在获取原值的这个操作上，需要你自己实现。

private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            count.incrementAndGet();
        }
    });

    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            count.incrementAndGet();
        }
    });

    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    
    System.out.println(count);
}

Doug Lea在CAS的基础上帮助我们实现了一些原子类，其中就包括现在看到的AtomicInteger，还有其他很多原子类…

CAS的缺点：CAS只能保证对一个变量的操作是原子性的，无法实现对多行代码实现原子性。 CAS的问题

ABA问题：问题如下，可以引入版本号的方式，来解决ABA的问题。Java中提供了一个类在CAS时，针对各个版本追加版本号的操作。 AtomicStampeReference

AtomicStampedReference在CAS时，不但会判断原值，还会比较版本信息.

public static void main(String[] args) {
    AtomicStampedReference<String> reference = new AtomicStampedReference<>("AAA",1);
    String oldValue = reference.getReference();
    int oldVersion = reference.getStamp();
    boolean b = reference.compareAndSet(oldValue, "B", oldVersion, oldVersion + 1);
    System.out.println("修改1版本的：" + b);
    boolean c = reference.compareAndSet("B", "C", 1, 1 + 1);
    System.out.println("修改2版本的：" + c);
}

自旋时间过长问题：
可以指定CAS一共循环多少次，如果超过这个次数，直接失败/或者挂起线程。（自旋锁、自适应自旋锁）
可以在CAS一次失败后，将这个操作暂存起来，后面需要获取结果时，将暂存的操作全部执行，再返回最后的结果。

1.2.3 Lock锁

Lock锁是在JDK1.5由Doug Lea研发的，他的性能相比synchronized在JDK1.5的时期，性能好了很多，但是在JDK1.6对synchronized优化之后，性能相差不大，但是如果涉及并发比较多时，推荐 ReentrantLock锁，性能会更好。

实现方式：

private static int count;
private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public static void increment() {
    lock.lock();
    try {
        count++;
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            increment();
        }
    });

    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            increment();
        }
    });
    
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    System.out.println(count);
}

ReentrantLock可以直接对比synchronized，在功能上来说，都是锁。但是ReentrantLock的功能性相比synchronized更丰富。

ReentrantLock底层是基于AQS实现的，有一个基于CAS维护的state变量来实现锁的操作。

1.2.4 ThreadLocal

Java中的四种引用类型

Java中的使用引用类型分别是。强，软，弱，虚

User user = new User(); 在 Java 中最常见的就是强引用，把一个对象赋给一个引用变量，这个引用变量就是一个强引用。当一个对象被强引用变量引用时，它始终处于可达状态，它是不可能被垃圾回收机制回收的，即使该对象以后永远都不会被用到 JVM 也不会回收。因此强引用是造成 Java 内存泄漏的主要原因之一。

SoftReference：其次是软引用，对于只有软引用的对象来说，当系统内存足够时它不会被回收，当系统内存空间不足时它会被回收。软引用通常用在对内存敏感的程序中，作为缓存使用。

然后是弱引用，它比软引用的生存期更短，对于只有弱引用的对象来说，只要垃圾回收机制一运行，不管 JVM 的内存空间是否足够，总会回收该对象占用的内存。可以解决内存泄漏问题，ThreadLocal就是基于弱引用解决内存泄漏的问题。

最后是虚引用，它不能单独使用，必须和引用队列联合使用。虚引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态。不过在开发中，我们用的更多的还是强引用。

ThreadLocal保证原子性的方式，是不让多线程去操作，让每个线程去操作属于自己的数据临界资源。

代码实现

static ThreadLocal tl1 = new ThreadLocal();
static ThreadLocal tl2 = new ThreadLocal();

public static void main(String[] args) {
    tl1.set("123");
    tl2.set("456");
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        System.out.println("t1:" + tl1.get());
        System.out.println("t1:" + tl2.get());
    });
    t1.start();
    System.out.println("main:" + tl1.get());
    System.out.println("main:" + tl2.get());
}

ThreadLocal实现原理：

每个Thread中都存储着一个成员变量，ThreadLocalMap
ThreadLocal本身不存储数据，像是一个工具类，基于ThreadLocal去操作ThreadLocalMap
ThreadLocalMap本身就是基于Entry[]实现的，因为一个线程可以绑定多个ThreadLocal，这样一来，可能需要存储多个数据，所以采用Entry[]的形式实现。
每一个线程都自己独立的ThreadLocalMap，再基于ThreadLocal对象本身作为key，对value进行存取
ThreadLocalMap的key是一个弱引用，弱引用的特点是，即便有弱引用，在GC时，也必须被回收。这里是为了在ThreadLocal对象失去引用后，如果key的引用是强引用，会导致ThreadLocal对象无法被回收

ThreadLocal内存泄漏问题：

如果ThreadLocal引用丢失，key因为弱引用会被GC回收掉，如果同时线程还没有被回收，就会导致内存泄漏，内存中的value无法被回收，同时也无法被获取到。
只需要在使用完毕ThreadLocal对象之后，及时的调用remove方法，移除Entry即可

二、可见性

2.1 什么是可见性

可见性问题是基于CPU位置出现的，CPU处理速度非常快，相对CPU来说，去主内存获取数据这个事情太慢了，CPU就提供了L1，L2，L3的三级缓存，每次去主内存拿完数据后，就会存储到CPU的三级缓存，每次去三级缓存拿数据，效率肯定会提升。这就带来了问题，现在CPU都是多核，每个线程的工作内存（CPU三级缓存）都是独立的，会告知每个线程中做修改时，只改自己的工作内存，没有及时的同步到主内存，导致数据不一致问题。

可见性问题的代码逻辑

private static boolean flag = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while (flag) {
            // ....
        }
        System.out.println("t1线程结束");
    });
    
    t1.start();
    Thread.sleep(10);
    flag = false;
    System.out.println("主线程将flag改为false");
}

2.2 解决可见性的方式

2.2.1 volatile

volatile是一个关键字，用来修饰成员变量。

如果属性被volatile修饰，相当于会告诉CPU，对当前属性的操作，不允许使用CPU的缓存，必须去主内存操作

volatile的内存语义：

volatile属性被写：当写一个volatile变量，JMM会将当前线程对应的CPU缓存及时的刷新到主内存中
volatile属性被读：当读一个volatile变量，JMM会将对应的CPU缓存中的内存设置为无效，必须去主内存中重新读取共享变量

其实加了volatile就是告知CPU，对当前属性的读写操作，不允许使用CPU缓存，加了volatile修饰的属性，会在转为汇编之后后，追加一个lock的前缀，CPU执行这个指令时，如果带有lock前缀会做两个事情：

将当前处理器缓存行的数据写回到主内存
这个写回的数据，在其他的CPU内核的缓存中，直接无效。

总结：volatile就是让CPU每次操作这个数据时，必须立即同步到主内存，以及从主内存读取数据。

private volatile static boolean flag = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while (flag) {
            // ....
        }
        System.out.println("t1线程结束");
    });

    t1.start();
    Thread.sleep(10);
    flag = false;
    System.out.println("主线程将flag改为false");
}

2.2.2 synchronized

synchronized也是可以解决可见性问题的，synchronized的内存语义。

如果涉及到了synchronized的同步代码块或者是同步方法，获取锁资源之后，将内部涉及到的变量从CPU缓存中移除，必须去主内存中重新拿数据，而且在释放锁之后，会立即将CPU缓存中的数据同步到主内存。

private static boolean flag = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while (flag) {
            synchronized(MyTest.class){
                //...
            }
        System.out.println(111);
        }
        
        System.out.println("t1线程结束");
    });

    t1.start();
    Thread.sleep(10);
    flag = false;
    System.out.println("主线程将flag改为false");
}

2.2.3 Lock

Lock锁保证可见性的方式和synchronized完全不同，synchronized基于他的内存语义，在获取锁和释放锁时，对CPU缓存做一个同步到主内存的操作。

Lock锁是基于volatile实现的。Lock锁内部再进行加锁和释放锁时，会对一个由volatile修饰的state属性进行加减操作。如果对volatile修饰的属性进行写操作，CPU会执行带有lock前缀的指令，CPU会将修改的数据，从CPU缓存立即同步到主内存，同时也会将其他的属性也立即同步到主内存中。还会将其他CPU缓存行中的这个数据设置为无效，必须重新从主内存中拉取。

private static boolean flag = true;
private static Lock lock = new ReentrantLock();

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while (flag) {
            lock.lock();
            try{
                //...
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }

        System.out.println("t1线程结束");
    });

    t1.start();
    Thread.sleep(10);
    flag = false;
    System.out.println("主线程将flag改为false");
}

2.2.4 final

final修饰的属性，在运行期间是不允许修改的，这样一来，就间接的保证了可见性，所有多线程读取final属性，值肯定是一样。

final并不是说每次取数据从主内存读取，他没有这个必要，而且final和volatile是不允许同时修饰一个属性的

final修饰的内容已经不允许再次被写了，而volatile是保证每次读写数据去主内存读取，并且volatile会影响一定的性能，就不需要同时修饰。

三、有序性

3.1 什么是有序性

在Java中，.java文件中的内容会被编译，在执行前需要再次转为CPU可以识别的指令，CPU在执行这些指令时，为了提升执行效率，在不影响最终结果的前提下（满足一些要求），会对指令进行重排。指令乱序执行的原因，是为了尽可能的发挥CPU的性能。Java中的程序是乱序执行的。

Java程序验证乱序执行效果：

static int a,b,x,y;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
        a = 0;
        b = 0;
        x = 0;
        y = 0;
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            a = 1;
            x = b;
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            b = 1;
            y = a;
        });
        
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        
        if(x == 0 && y == 0){
            System.out.println("第" + i + "次，x = "+ x + ",y = " + y);
        }
    }
}

单例模式由于指令重排序可能会出现问题：线程可能会拿到没有初始化的对象，导致在使用时，可能由于内部属性为默认值，导致出现一些不必要的问题

private static volatile MyTest test;

private MyTest(){
    
}

public static MyTest getInstance(){
    // B
    if(test == null){
        synchronized (MyTest.class){
            if(test == null){
                // A , 开辟空间，test指向地址，初始化
                test = new MyTest();
            }
        }
    }
    return test;
}

3.2 as-if-serial

as-if-serial语义：不论指定如何重排序，需要保证单线程的程序执行结果是不变的。而且如果存在依赖的关系，那么也不可以做指令重排。

// 这种情况肯定不能做指令重排序  
int i = 0;  
i++;  
  
// 这种情况肯定不能做指令重排序  
int j = 200;  
j * 100;  
j + 100;  
// 这里即便出现了指令重排，也不可以影响最终的结果，20100

3.3 happens-before

具体规则：

单线程happen-before原则：在同一个线程中，书写在前面的操作happen-before后面的操作。
锁的happen-before原则：同一个锁的unlock操作happen-before此锁的lock操作。
volatile的happen-before原则：对一个volatile变量的写操作happen-before对此变量的任意操作。
happen-before的传递性原则：如果A操作 happen-before B操作，B操作happen-before C操作，那么A操作happen-before C操作。
线程启动的happen-before原则：同一个线程的start方法happen-before此线程的其它方法。
线程中断的happen-before原则：对线程interrupt方法的调用happen-before被中断线程的检测到中断发送的代码。
线程终结的happen-before原则：线程中的所有操作都happen-before线程的终止检测。
对象创建的happen-before原则：一个对象的初始化完成先于他的finalize方法调用。JMM只有在不出现上述8中情况时，才不会触发指令重排效果。不需要过分的关注happens-before原则，只需要可以写出线程安全的代码就可以了。