java并发编程笔记

1 基础知识

线程创建关键的三种方式。
实现runnaable的run方法
继承thread类并重写run 方法
使用futuretask方式（callable）
好处：
继承的好处是方便传参，set或者构造。
runnable只能使用主线程的final变量
java不支持多继承，如果继承了thread，就不能继承其他类。
futuretask可以拿到返回结果。

wait
wait调用前要获取对象的监视器锁，synchronized（共享变量），或者调用它的方法加synchronized修饰
调用wait只会释放当前共享对象的锁，其他的监视器锁不会释放。
notify
被唤醒的线程不能马上从wait方法返回执行，需要获取监视器锁之后才可以返回，这个就涉及到一个竞争过程，
notifyall只能唤醒调用这个方法前的线程。
sleep
让出CPU不让出锁，返回后直接就绪状态准备竞争CPU。
yield
让出CPU使用权，直接就绪状态，线程调度器会从就绪队列里获取一个优先级最高的，也可能是更改让出的那个。
sleep线程会阻塞挂起指定的时间，yield方法线程只是让出自己剩余的时间片，仍然处于就绪状态。
线程中断
线程协作的方法。
B可以调用A的interrupt方法设置A的中断标志位true。
线程上下文切换的时机：时间片用完，被其他线程中断。
破坏死锁的条件只能破坏请求保持和循环等待。
守护线程和用户线程
守护线程不影响JVM退出，main线程运行结束后JVM会创建一个destroyjavaVM的线程等待所有用户线程终止后终止JVM进程。
ThreadLocal
每个线程内部有一个名为threadLocals的成员变量hashmap。线程的本地变量存在这里。
如果线程不消亡，本地变量一直存在可能造成内存溢出，所以使用完毕要remove。
inheritableThreadLocal
为了解决子线程不能获取父线程的变量的问题产生的。

2 基础知识2

共享变量问题
线程有自己的私有内存，对应实际情况多CPU多个cache的情况，副本可能不一致。
所以并发情况下必要时要通过让缓存失效，线程只能去主存读取一致的信息。
synchronized
同步锁，内部锁（监视器锁）
排他锁
内存语义：synchronized块内变量从工作内存删除，直接从主存读取，退出块时将共享变量刷新回主存。
回引起线程上下文切换并带来线程调度的开销。
volatile
弱同步
确保一个变量更新对其他线程马上可见。
线程写入变量时直接刷新回主存，当其他线程读取变量时会从主存重新获取新值。
写入时相当于线程进入synchronized同步块直接刷新变量到主存，读取时相当于进入同步块，清本地内存变量值，从主存获取最新值。
保证可见性但是不保证原子性。
写入变量不能依赖当前值，读写变量不加锁。
CAS
非阻塞的原子性操作
四个操作数：对象内存位置，对象中的变量的偏移量，变量的预期值，变量新的值
如果预期值是对的就替换，这是一个原子指令。
存在ABA问题，（A是A，但是A可能变成了B又变回了A）JDK为变量加入了时间戳，避免了ABA问题的产生。
unsafe类
反射才能获取。
指令重排序
单线程保证数据依赖顺序不会被打乱，但是多线程会有问题。
volatile变量确保volatile变量写之前的操作不会被重排序到写之后，读之后的操作不会重排序到读之前。
伪共享
多个变量放入一个缓存行，多线程多CPU同时修改这个缓存航，导致缓存失效，只能频繁访问下一级缓存查找。
缓存行读变量附近缓存行大小的元素一起放入（64字节）
JDK8之前用字节填充的办法解决，JDK8之后有一个contended注解（核心类才能用）
悲观锁
对数据被外界修改保持保守态度，认为数据很容易被其他线程修改，所以处理数据前对数据加锁，处理过程中数据处于锁定状态。
乐观锁
乐观锁一般在表中增加version字段或者业务状态，提交时才锁定，不会死锁。
公平锁和非公平锁
公平锁按照获取时间早晚获取锁，非公平随机。没有需求就非公平，公平需要开销。
独占锁和共享锁
独占锁是一种悲观锁，共享锁是一种乐观锁（共享读不影响数据一致性）
可重入锁
一个线程再次获取它自己已经获取的锁时不会被阻塞。synchronized内部锁是一个可重入锁。
关联一个计数器，自己重入计数器加一。
自旋锁
用cpu时间获取了线程调度的开销，很多情况下只需要自旋一小下就可以获取锁。而线程获取锁失败被挂起，获取锁成功被唤醒都需要切换内核状态，开销很大。

3 ThreadLocalRandom.

针对random类多线程下的缺陷。
老步骤：老种子生成新种子，新种子计算随机数，多线程会用同一个种子生成同一个数。所以要保证原子性，老种子用一次其他线程就不能用。使用一个原子变量来实现老种子，可以保证获取是正确的，然后计算新种子后，用CAS操作去更新种子，这样可能多个线程拿到同一个老种子，但是只有一个能成功更新，失败的线程就循环重新获取更新后的种子再计算。（可知大量竞争原子变量+大量线程自旋重试，降低了并发性能）

ThreadlocalRandom类似于ThreadLocal类，线程自己维护了自己的种子（一个普通的long变量）。
有两个原子性变量初始化调用线程的种子和探针变量会用到，只用一次。

线程安全的，种子放在线程里面的，所以实例里面都是线程无关的通用算法。

4 原子变量操作类

内部都是使用unsafe的getandaddLong，JDK7中是拿到当前值，然后加一，再CAS过程，JDK8把这个CAS内置在unsafe类了。
synchronized关键字是阻塞算法，CAS是非阻塞算法，但是存在高并发下自旋浪费CPU资源的问题。
JDK8新增的longadder类高并发下性能更好。高并发情况下维护多个cell。
创建和扩容是CAS操作。
** LongAdder**
三个值：base，锁和cell数组。锁是为了扩容和初始化的时候锁一下。base是基础数值，cell控制增减数值。
多个动态的cell共同维护一个数值的值。
内部用contended注解防止伪共享问题。
sum（）并不加锁，所以返回的值并不是一个快照值，一边计算一边可能有变动。
LongAccumulator
比adder更强大，可以提供非0的初始值
可以指定累加规则，比如相乘
这俩都是JDK8新增的特性。

5 并发list

copyOnwriteArrayList
写时复制。
add加锁是原子性的，复制数组长度加一，新数组替换老数组。
get（index）并不加锁，因为写时复制，所以存在弱一致性问题，A获取数组B更新替换原数组，原数组引用计数不为0所以不会立即删除，A获取index还是从原来数组中获取的。
set加锁，remove加锁
迭代器的弱一致性：返回迭代器后，其他线程对list 的增删改查对迭代器是不可见的。
虽然传递的是引用，如果其他线程不改变那就是原本的数组。
如果其他线程改变了数组，替换之后，引用实际上是一个快照，因为有了新的引用和新的数组。

6并发包中的锁原理

lockSupport
主要作用是挂起和唤醒线程，是创建锁和其他同步类的基础。
AQS
抽象同步队列：锁的底层支持，不同的锁要实现不同的acquire和release方法，并且对state状态的含义进行自己定义。
AQS的node队列，双向，哨兵。
多线程调用lock，一个获取锁，其他进入AQS队列自旋CAS尝试获取锁。
有公平和非公平两种实现，实现公平的方式就是获取锁之前会判断AQS队列中自己是否有前驱节点。
读写锁用state的高16位表示读状态，低16位表示获取到写锁的线程的可重入次数。
StampedLock锁
不变重入，提供了一个乐观读锁，多线程性能更好，不进行CAS操作设置锁的状态，只是简单测试位运算查看是否有线程持有写锁，然后获取stamp版本信息，操作前查看版本是否不可用，然后复制数据到方法栈，一致性可以保证，但是不能保证是最新，相当于读了一个快照。

7 并发队列原理

concurrentLinkedQueue
线程安全的无界，非阻塞队列。
单项链表实现，两个volatile类型的node节点存放队列的首尾节点来维护这个队列。
简单来说还是volatile+CAS用CPU资源获取阻塞的开销，来实现非阻塞 。
SIZE不是很准确，因为不加锁，同理contains也不准确，需要遍历的都不大行。
出队入队都在头尾节点，volatile保证了可见性，offer和poll读使用了CAS操作，保证了原子性。
LinkedBloackingQueue
独占锁实现的阻塞队列（有界链表）（有界就有队列满的情况）
putoffer需要获取putlock，所以只有一个线程可操作。
size操作是准确的，因为有一个变量记录size，并且入队和出队操作是原子性的。
（非阻塞的没有这个size，因为不加锁的情况下，所以没办法简单维护这样一个变量）
ArrayBlockQueue
有界数组阻塞队列。
因为加锁，所以count等变量不需要volatile。
size操作也要获取锁后返回count，（直接读内存）这样就保证了内存可见性，通过加锁而不是volatile。、
PriorityBlockQueue
数组存储元素（物理上）
使用二叉树堆（逻辑上）维护元素优先级
take是阻塞的，用notempty条件变量实现。
put非阻塞，因为无界，所以不需要判满。
扩容先释放锁，其他线程可以入队出队，再CAS保证一个线程扩容成功，不能两个一起扩。
所有并发队列都是通过各种变量和锁保证put和get的原子性和可见性，在一致性上有时根据阻塞和非阻塞的情况有一定的牺牲。
DelayQueue
无界阻塞延迟队列。
每个元素都有一个过期时间，过期的元素才会出队。出队是判断如果没过期就要等待。
内部使用优先级队列。

8 线程池

解决两个问题：
一是执行大量异步任务时性能好，一直创建销毁线程开销。
二是提供了资源管理手段限制线程个数，可以动态新增，保留了统计数据完成任务等。
一个Integer记录线程状态和线程个数
线程池状态 running shutdown stop tidying terminated
加入任务时判断core是否达到最大，判断线程池状态是否可以在阻塞队列增加任务。
如果队列满，尝试新增线程（要控制是否达到最大线程数，还要双重检查线程池状态）
shutdown后不接收新任务，但是工作队列要执行。
shutdownnow 工作队列内也直接抛弃，正在执行的任务被中断，

9 ScheduledThreadPoolExecutor

10 线程同步器原理

CountDownLatch
相比于join方法，countDownLatch更灵活，首先建立这个对象，给一个计数，在子线程运行结束finally递减计数，减完主线程就复活。
相比于join更可控，并不一定要等到所有线程执行完，只要在子线程运行过程中控制递减计数即可。而且使用线程池时直接添加runable到线程池，没办法使用join。
底层使用AQS的state表示计数器的值。
主线程调用CountDownLatch的await方法后阻塞，计数器为0时调用AQS的doReleaseShared方法来激活线程。
CyclicBarrier
回环屏障。、
解决的问题是countdownlatch计数器是一次性的，不能重置
所有线程达到一个状态后再全部同时执行。
调用await方法的点就是阻塞点，也就是屏障点，线程都调用await方法后所有线程冲破屏障，继续运行。
Await 调用doawait方法获取阻塞的锁更改count。

11 Semaphone

相比于屏障，信号量有初始值，通过release方法加一，通过aquire方法获取，等待信号量值为aquire方法参数的值时才能返回。
更新剩余值的时候使用CAS操作。
公平与非公平两种实现，还是检查前驱节点是否还在等待。
非阻塞的共享信号量使用CAS