Java多线程并发笔记

多线程并发带来的问题：

1、缓存不一致
变量存储在主内存中，每个线程有自己的工作内存，线程读取变量，会先将变量从主内存读取到工作内存，然后再工作内存中操作变量，然后再将工作内存中，更改后的变量回写到主内存。如果一个线程再另外一个线程将变量回写到主内存之前读取了变量，则2个线程中的变量会存在不一致情况。
2、编译器优化，导致代码乱序执行（Java虚拟机指令重排序优化）
编译器会在不影响代码执行结果的情况下，打乱代码的执行顺序

Java内存模型：

Java内存模型主要定义程序中各个变量的访问规则。Java内存模型规定，所有变量存储在主内存，每个线程有自己的工作内存，线程的工作内存中存储着线程所用到的变量的副本。线程对变量的操纵，必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。线程之间，无法直接访问对方的工作内存中的变量，线程直接内存传递，必须通过主内存来完成。

线程的工作内存跟主内存直接的交互操作：

1、lock(锁定) 作用于主内存的变量，把一个变量标识未一条线程独占状态
2、unlock(解锁) 作用于主内存的变量，把一个变量从锁定状态释放，只有释放后的变量，才能够被其他线程锁定
3、read(读取) 作用于主内存的变量，从主内存中读取一个变量的值传输到线程的工作内存中，便于下一步load使用
4、load(加载) 作用工作内存的变量，将上一步read的变量值，放入工作内存的变量副本中
5、use(使用) 作用于工作内存的变量，把工作内存的变量，传递给执行引擎
6、assign(赋值) 作用于工作内存的变量，把更改后的值，赋值给变量副本
7、store(存储) 作用于工作内存的变量，把工作内存中的变量副本的值，回传到主内存，便于下一步write使用
8、write(回写) 作用于主内存中的变量，把上一步store操作从工作内存回传的值，放入主内存变量中

上面8个操作有如下限定：

1、不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许从主内存读取了变量，但是工作内存不接受，或者工作内存发起了回写，但是主内存不接受的情况
2、不允许一个线程丢弃他的最近的assign操作，即工作内存的变量值更改后，必须把该变量同步回主内存
3、不允许一个线程无来由的同步变量，即工作内存中的变量，不能在没有发生assign操作的情况下，同步回主内存
4、一个变量不允许诞生在工作内存中，工作内存中使用的变量，必须要经过read、load操作，从主内存中读取
5、一个变量在同一时刻，只允许一个线程对其lock操作，但可以被同一线程lock多次，被lock多次后，只有执行同样次数的unlock操作，才能解锁
6、一个变量没有被lock的情况下，不允许对它执行unlock操作，同样也不允许去unlock一个被其他线程lock的变量
7、对一个变量执行lock之后，会清空工作内存中此变量的副本
8、对一个变量执行unlock之前，必须先把变量同步回主内存

原子性、可见性和有序性

1、原子性：原子性是指指令的最小单位，指令要么执行，要么不执行，不存在执行到一半，去执行其他指令的情况。上述的8个操作中，每一个操作都可以看作是具备原子性的
2、可见性：当一个变量被多个线程读取的时候，一个线程修改了变量之后，其他线程能立即感知到变量的改变，Java通过volatile保证变量的可见性，synchronized和final也能实现变量的可见性
volatile：被volatile修饰的变量，在被改变后会立即被同步到主内存，线程在读取之前，从主内存刷新变量来保证变量的可见性
synchronized：synchronized是通过对变量加锁，保证同一时刻，只有一个线程访问，并且锁释放前必须同步回主内存保证了变量的可见性
final：被final修饰的字段，在构造器中一旦初始化完成，在其他线程中就能够看架final字段的值。
3、有序性：程序执行的顺序按照代码的顺序执行，volatile和synchronized可以保证线程之间操作的有序性

线程的状态：

新建(New)：线程创建之后，处于待运行状态
运行状态(Runnable)：运行状态的线程，可能已经正在执行，也可能在等待着CPU分配执行时间。
等待状态(Waitting):等待分为无限期等待和有限期等待：
无限期等待状态：处于这种状态的线程不会被分配CPU执行时间，需要等待其他线程显示唤醒。没有设置TimeOut的Object.wait()、Thread.join()和LockSupport.park()方法会导致线程处于无限期等待状态。
有限等待状态：处于改状态的线程也不会被分配CPU执行时间，但是会在一定时间后被系统自动唤醒。设置了TimeOut的Object.wait()、Thread.join()和LockSupport.park()方法会使线程处于有限期等待状态。
阻塞状态(Blocked)：阻塞状态在等待着获取到一个排他锁
结束(Terminated)：已终止线程的线程状态，线程已经结束执行。

线程安全：

当多个线程访问一个对象时，如果不考虑这些线程在运行环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方法进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那么这个对象是线程安全的。

线程安全的实现方法：

1、互斥同步(阻塞同步)：多个线程并发访问共享数据时，共享数据保证在同一时刻，只被一个线程使用。
2、非阻塞同步：先对共享数据进行操作，如果共享数据不存在其他线程竞争的情况，则操作成功；如果存在竞争情况，再采取其他补偿措施，比如不断的重试
3、无同步方案：涉及共享数据的才存在线程安全问题，如果一个方法不涉及共享数据，则天然的线程安全，不需要去做任何同步措施

锁优化：

1、自旋锁和自适应自旋：共享数据的锁定状态只会持续很短的时间，如果为了这段时间去挂起和恢复线程，会得不偿失，所以可以让后面请求锁的线程，等待一会，但不放弃CPU执行时间，看看等待的锁是否会很快释放。为了让线程等待，通常时让线程执行一个空循环，这就是所谓的自旋锁。自适应自旋意味着自旋时间不固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。
2、锁消除：虚拟机即使编译器在运行时，对代码上要求同步，但是检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。
3、锁粗化：在开发的时候，推荐将同步块的作用范围限制的尽可能小--只在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样是为了使需要同步的操作数量尽可能小，但是如果一系列操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作出现在循环体中，那即使没有线程竞争，频繁的加锁解锁也会导致不必要的性能损耗。虚拟机如果探测到上述操作的情况，会将锁的范围扩大(粗化)到整个操作序列的外部。
4、轻量级锁
5、偏向锁：锁对象第一次被线程获取后，会进入偏向模式，将获取锁的线程ID记录在对象的Mark Word之中，之后持有偏向锁的线程每次进入这个锁相关的同步块时，虚拟机都可以不再进行任何同步操作。