2. 线程安全性

本章内容：

　　原子性：AtomicXXX、CAS原理、Unsafe、AtomicLong&LongAddr、AtomicReference&AtomicReferenceFieldUpdater、AtomicStampReference

　　　　　　锁：synchronized（修饰代码块、方法、静态方法、类）、Lock

　　可见性：synchronized、volatile（读、写、使用）

　　有序性：happens-before原则

 

　　【线程安全性】当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些进程如何进行交替执行，并且在代码运行中不需要额外的同步或协同，这个类都行为正常，那么称这个类是线程安全的。

　　

【可见性】一个线程对主内存的修改可被其他线程看到。

【有序性】一个线程观察其他线程的指令执行顺序，由于指令重排序的存在，该观察结果一般无序。

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一、原子性——java.util.concurrent.atomic包/CAS

　　【原子性】提供了互斥访问，同一时刻只有一个线程对它操作。

1.Atomic包

　　①原子更新基本数字类型：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean；

　　②原子更新数组：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray；

　　③原子更新引用：AtomicReference、AtomicMarkableReference、AtomicStampedReference；

　　④原子更新属性：AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater；

 1 public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(1);
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 4 public static Student[] value = new Student[]{new Student(1),new Student2,…};
 5 public static AtomicReferenceArray arr = new AtomicReferenceArray(value);
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 7 private static AtomicIntegerFieldUpdater updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Student.class, "age");
 8 public volatile int age= 20;
 9 //student1是Student一个实例
10 updater.compareAndSet(studen1, 100, 120)

 

 

2. CAS/Unsafe

　　【Unsafe】Java无法直接访问底层操作系统，而是通过本地方法（native）来访问的。JVM开启一个后门，JDK有一个类Unsafe，它提供了硬件级别的原子操作。这个类中的方法都是public的，但是只有授信的代码才能获得该类的实例。

 

 　　【CAS】Compare and Swap：比较并交换。设计并发算法时常用的一门技术，JUC完全建立在CAS上，当前处理器都支持CAS。

　　CAS方法有三个操作数：内存值V、旧的预期值A、要修改的值B，当且仅当预期值与内存值相同时，将内存值修改为B并返回true。

　　举例：

　　AtomicInteger.getAndIncrement()：

　　Unsafe.getAndAddInt():var1是当前AtomicInteger对象，var2是内存值V，var5是旧的预期值A，var5+var4是要修改的值，此处var4=1.只有当var2=var5时，才会赋予新值。

 

 　　Unsafa.compareAndSwapInt():

 

 　　【ABA问题】如果一个变量V初次读取的时候是A值，并且在准备复制的时候检查它任然是A值，但是处理过程中被其他线程修改过A-B-A，CAS操作仍然认为他没有修改过=》ABA问题。

　　解决方案：带有标记的原子引用类AtomicStampedReference，通过控制变量的版本来保证原子性，但是比较鸡肋，如果使用传统的互斥同步可能会使原子类更加高效。

 

3.AtomicLong && LongAddr

　　Java8推荐LongAddr替代AtomicInteger。AtomicInteger在高并发场景下compareAndSwapInt会不断试错，有性能问题。　

　　LongAdder在AtomicLong的基础上将单点的更新压力分散到各个节点，在低并发的时候通过对base的直接更新可以很好的保障和AtomicLong的性能基本保持一致，而在高并发的时候通过分散提高了性能。将待处理的数据，通过hash计算分散到Cell数组中分别处理，最后在汇总计算。注意casBase   ==>   !casBase(b = base, b + x)；表示CAS更新操作；如果一个线程去CAS失败，那么表示正在有一个线程正在CAS操作，表示竞争激烈；

 

 　　LongAddr在高并发的时候，Cell数组的汇总计算会出错。在高并发获取全局唯一ID时，使用AtomicLong而不是LongAddr。

 

4. AtomicBoolean

　　使用场景——使某段代码只执行一次。首先我们要知道compareAndSet的作用，判断对象当时内部值是否为第一个参数，如果是则更新为第二个参数，且返回ture，否则返回false。那么默认初始化为false，则一个线程把他变为ture，compareAndSet返回ture，进入方法体执行逻辑，那么其他的任何线程进入该方法执行compareAndSet时第一个参数为false，而对象的内部值已经被修改为true，则永远过不了if。

private static AtomicBoolean isHappened = new AtomicBoolean(false);

private static void test() {
        if (isHappened.compareAndSet(false, true)) {//只执行一次
            log.info("execute");
        }
}

 

5. 锁

　【synchronized关键字】synchronized修饰的变量是不能被继承的，父类是synchronized，子类必须显式写出来，否则不是同步方法。

　　　【作用范围】修饰代码块、修饰静态方法、修饰非静态方法、修饰一个类。

　　　【原理】基于Monitor实现的。synchronized获取对象锁保证在执行共享数据的线程是互斥的，可以使用wait、notify、notifyAll进行线程协同工作。Class和Object都关联了一个Monitor。提供了两个高效的字节码指令monitorenter和monitorexit实现同步代码块。同步加锁的是对象而不是代码。当一个线程访问Object的一个synchronized(this)同步代码块时，其他线程对Objecet中其他synchronized(this)同步代码块的访问将会被阻塞，只能访问非synchronized代码块。

　【锁-Lock】锁标记存放在对象头中的Mark Word中。

　【synchronized和Lock的区别】

　　　　①Lock是一个接口，synchronized是一个关键字，由Java内置语言实现的。

　　　　②synchronized发生异常时，会自动释放线程占有的锁（独占锁，也是悲观锁），因此不会有死锁现象发生。Lock发生异常时，必须通过unLock()去释放锁（乐观锁），否则会产生死锁现象。通常将unLock放在finally中去释放锁。

　　　　③Lock会让等待的锁中断，而synchronized不会，因此会产生阻塞现象。

　　　　④通过Lock可以知道有么有成功获取锁，而synchronized不行。

　　　　⑤Lock可提高多线程进行读操作的效率。

 

二、可见性

　　【可见性】一个线程对主存的修改可被其他线程看到、

1.导致共享变量不可见的原因

　　①线程交叉执行；

　　②重排序结合线程交叉执行；

　　③共享变量更新后没有及时地在工作内存和主内存之间更新；

2.可见性-synchronized

　　JMM关于synchronized的规定：

　　①线程解锁前，必须将共享变量的最新值刷回主存；（解锁-刷）

　　②线程加锁时，将清空工作内存中共享变量值，从而使用共享变量时需要从主内存重新读取最新的值。（加锁-取）

3.可见性-volatile

　　通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现。

　　①对volatile变量写操作时，会在写操作后加入一条store屏障指令，将本地内存中的共享变量刷回主存中。

　　②对volatile变量读操作时，会在读操作前加入一条load屏障指令，从主存中读取共享变量。

 

 　　volatile不能保证原子性：

/*
1.count       线程1，2读取最新值 count=1
2.count++     线程1，2同时增加1  count=2
3.count       线程1，2将count写回主存，少加一次1    count=1 正确结果应该是2；根本原因：count++不是一个原子性操作
可以通过Atomic包实现原子性操作
*/
volatile int count = 1;
count++;

    

 

　　③应用场景：适合用于修饰状态标记量

　　　使用条件：对变量的写操作不依赖于变量的当前值，或者确保只有单个线程更新变量值；该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

　　④volatile与synchronized区别

	volatile	synchronized
作用范围	变量	变量、方法、类
保证可见性	√	√
保证原子性	×	√
是否会造成阻塞	×	√
是都可被编译器优化	×	√

 

 三、有序性

　　【有序性】程序执行的顺序按照代码的顺序执行

　　【重排序】见上章

　　【happens-before规则】见上章