JUC笔记（4）

16. JMM

请你谈谈你对 Volatile 的理解:

Volatile是java虚拟机提供 轻量级的同步机制

1、保证可见性

2、不保证原子性

3、禁止指令重排序

什么是JMM

JMM ： Java内存模型，不存在的东西，概念！约定！  
关于JMM的一些同步的约定： 

1、线程解锁前，必须把共享变量立刻刷新回主存

2、线程加锁前，必须读取主存中的最新值到工作内存中

3、加锁和解锁是同一把锁！

线程  工作内存 、主内存

内存交互操作有8种，虚拟机实现必须保证每一个操作都是原子的，不可在分的（对于double和long类 型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上允许例外）

• lock   （锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为线程独占状态
• unlock （解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量 才可以被其他线程锁定
• read  （读取）：作用于主内存变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便 随后的load动作使用
• load   （载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主存中变量放入工作内存中
• use   （使用）：作用于工作内存中的变量，它把工作内存中的变量传输给执行引擎，每当虚拟机 遇到一个需要使用到变量的值，就会使用到这个指令
• assign （赋值）：作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变 量副本中
• store  （存储）：作用于主内存中的变量，它把一个从工作内存中一个变量的值传送到主内存中， 以便后续的write使用
• write  （写入）：作用于主内存中的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内 存的变量中

JMM对这八种指令的使用，制定了如下规则：

• 不允许read和load、store和write操作之一单独出现。即使用了read必须load，使用了store必须 write
• 不允许线程丢弃他近的assign操作，即工作变量的数据改变了之后，必须告知主存
• 不允许一个线程将没有assign的数据从工作内存同步回主内存
• 一个新的变量必须在主内存中诞生，不允许工作内存直接使用一个未被初始化的变量。就是怼变量 实施use、store操作之前，必须经过assign和load操作
• 一个变量同一时间只有一个线程能对其进行lock。多次lock后，必须执行相同次数的unlock才能解 锁 如果对一个变量进行lock操作，会清空所有工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前， 必须重新load或assign操作初始化变量的值
• 如果一个变量没有被lock，就不能对其进行unlock操作。也不能unlock一个被其他线程锁住的变量
• 对一个变量进行unlock操作之前，必须把此变量同步回主内存

问题： 程序不知道主内存的值已经被修改过了

17. Volatile

(1) 保证可见性

public class JMMDemo {
    // 不加 volatile 程序就会死循环！
    // 加 volatile 可以保证可见性
    private volatile static int num = 0;

    public static void main(String[] args) { // main

        new Thread(()->{ // 线程 1 对主内存的变化不知道的
            while (num==0){

            }
        }).start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        num = 1;
        System.out.println(num);
    }
}

num的修改被thread可见了

(2) 不保证原子性

原子性 : 不可分割
线程A在执行任务的时候，不能被打扰的，也不能被分割。要么同时成功，要么同时失败。

// volatile 不保证原子性
public class VDemo02 {

    // volatile 不保证原子性
    // 原子类的 Integer
    private volatile static AtomicInteger num = new AtomicInteger();

    public static void add(){
        // num++; // 不是一个原子性操作
        num.getAndIncrement(); // AtomicInteger + 1 方法， CAS
    }

    public static void main(String[] args) {

        //理论上num结果应该为 2 万
        for (int i = 1; i <= 20; i++) {
            new Thread(()->{
                for (int j = 0; j < 1000 ; j++) {
                    add();
                }
            }).start();
        }

        while (Thread.activeCount()>2){ // main  gc
            Thread.yield();
        }

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + num);

    }
}

但是如果不加 lock 和 synchronized ，怎么样保证原子性?

num++其实不是个原子性操作。

因此使用原子类，解决原子性问题，没必要lock：

这些类的底层都直接和操作系统挂钩！在内存中修改值！Unsafe类是一个很特殊的存在!

    /**
     * Atomically increments by one the current value.
     *
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }

(3) 指令重排

什么是 指令重排：你写的程序，计算机并不是按照你写的那样去执行的。
源代码-->编译器优化的重排--> 指令并行也可能会重排--> 内存系统也会重排--->  执行
处理器在进行指令重排的时候，考虑：数据之间的依赖性！

int x = 1; // 1

int y = 2; // 2

x = x + 5; // 3

y = x * x; // 4
我们所期望的：1234  但是可能执行的时候回变成 2134  1324 可不可能是  4123！

可能造成影响的结果： a b x y 这四个值默认都是 0；
volatile可以避免指令重排： 内存屏障。CPU指令。

作用：
1、保证特定的操作的执行顺序！

2、可以保证某些变量的内存可见性 （利用这些特性volatile实现了可见性）

Volatile 是可以保持 可见性。不能保证原子性，由于内存屏障，可以保证避免指令重排的现象产生！ 

18. 彻底玩转单例模式

内存屏障在单例模式使用最多

饿汉式

// 饿汉式单例
public class Hungry {

    // 可能会浪费空间
    private byte[] data1 = new byte[1024*1024];
    private byte[] data2 = new byte[1024*1024];
    private byte[] data3 = new byte[1024*1024];
    private byte[] data4 = new byte[1024*1024];

    private Hungry(){

    }

    private final static Hungry HUNGRY = new Hungry();

    public static Hungry getInstance(){
        return HUNGRY;
    }

}

DCL 懒汉式（锁）：

问题：为什么加volatile？因为volatile可以避免指令重排

// 懒汉式单例
// 道高一尺，魔高一丈！
/**
lazyMan = new LazyMan();
 * 1. 分配内存空间
 * 2、执行构造方法，初始化对象
 * 3、把这个对象指向这个空间
 *
 * 123
 * 132 A
 *     B // 此时lazyMan还没有完成构造
 */
public class LazyMan {

    private static boolean flag = false;

    private LazyMan(){
        synchronized (LazyMan.class){
            if (flag == false){
                flag = true;
            }else {
                throw new RuntimeException("不要试图使用反射破坏异常");
            }
        }
    }

    private volatile static LazyMan lazyMan;

    // 双重检测锁模式的 懒汉式单例  DCL懒汉式
    public static LazyMan getInstance(){
        if (lazyMan==null){
            synchronized (LazyMan.class){
                if (lazyMan==null){
                    lazyMan = new LazyMan(); // 不是一个原子性操作
                }
            }
        }
        return lazyMan;
    }
    // 反射！
    public static void main(String[] args) throws Exception {
//        LazyMan instance = LazyMan.getInstance();

        Field qinjiang = LazyMan.class.getDeclaredField("flag");
        flag.setAccessible(true);

        Constructor declaredConstructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);//获得空参构造器
        declaredConstructor.setAccessible(true);
        LazyMan instance = declaredConstructor.newInstance();

        flag.set(instance,false);

        LazyMan instance2 = declaredConstructor.newInstance();

        System.out.println(instance);
        System.out.println(instance2);
    }
}

这样虽然解决了问题，但是因为用到了synchronized，会导致很大的性能开销，并且加锁其实只需要在第一次初始化的时候用到，之后的调用都没必要再进行加锁。

双重检查锁（double checked locking）是对上述问题的一种优化。先判断对象是否已经被初始化，再决定要不要加锁。

此外，反射可以破坏这种单例，因此可以在无参构造里抛出异常。

静态内部类

// 静态内部类
public class Holder {
    private Holder(){

    }
    public static Holder getInstace(){
        return InnerClass.HOLDER;
    }
    public static class InnerClass{
        private static final Holder HOLDER = new Holder();
    }
}

枚举

// enum 是一个什么？ 本身也是一个Class类
public enum EnumSingle {

    INSTANCE;

    public EnumSingle getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}

class Test{

    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
        EnumSingle instance1 = EnumSingle.INSTANCE;
        Constructor declaredConstructor = EnumSingle.class.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
        declaredConstructor.setAccessible(true);
        EnumSingle instance2 = declaredConstructor.newInstance();

        // NoSuchMethodException: com.kuang.single.EnumSingle.()
        System.out.println(instance1);
        System.out.println(instance2);
    }
}

反射不能破坏枚举的单例模式。java.lang.enum  可以看到枚举没有无参构造器。

用有参构造器：

19. 深入理解CAS

什么是CAS: compare and set  比较并交换

大厂你必须要深入研究底层！有所突破！ 修内功，操作系统，计算机网络

valueOffset：内存地址偏移值

Unsafe类:

var1+var2=var5，则var5=var5+1

自旋锁：不停旋转，直到这个值能够成功为止

CAS：

比较当前工作内存中的值和主内存中的值，如果这个值是期望的，那么执行操作！如果不是就一直循环！

好处：自带原子性

缺点：

• 循环会消耗CPU资源
• 一次性只能保证一个共享变量的原子性
• ABA问题

ABA问题：（狸猫换太子）

public class CASDemo {
    // CAS  compareAndSet : 比较并交换！
        public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(2020);
        // 期望、更新 public final boolean compareAndSet(int expect, int update);
        // 如果我期望的值达到了，那么就更新，否则，就不更新, CAS 是CPU的并发原语！        // ============== 捣乱的线程 ==================        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2020, 2021));        System.out.println(atomicInteger.get());
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2021, 2020));
        System.out.println(atomicInteger.get());
        // ============== 期望的线程 =================
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2020, 6666));
        System.out.println(atomicInteger.get());
        }
}

这就是乐观锁，只要判断锁没被动过，就修改值。

乐观锁假设数据一般情况下不会造成冲突，所以在数据进行提交更新的时候，才会正式对数据的冲突与否进行检测，如果发现冲突了，则返回给用户错误的信息，让用户决定如何去做。乐观锁适用于读操作多的场景，这样可以提高程序的吞吐量。

乐观锁是相对悲观锁而言，也是为了避免数据库幻读、业务处理时间过长等原因引起数据处理错误的一种机制，但乐观锁不会刻意使用数据库本身的锁机制，而是依据数据本身来保证数据的正确性。乐观锁的实现：

• CAS 实现：Java 中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量使用了乐观锁的一种 CAS 实现方式。
• 版本号控制：一般是在数据表中加上一个数据版本号 version 字段，表示数据被修改的次数。当数据被修改时，version 值会+1。当线程A要更新数据值时，在读取数据的同时也会读取 version 值，在提交更新时，若刚才读取到的 version 值与当前数据库中的 version 值相等时才更新，否则重试更新操作，直到更新成功。

悲观锁分为共享锁和排他锁。

https://www.jianshu.com/p/d2ac26ca6525

20. 原子引用AtomicReference

解决ABA 问题，引入原子引用！ 对应的思想：乐观锁！

带版本号的原子操作！

public class CASDemo {

    //AtomicStampedReference 注意，如果泛型是一个包装类，注意对象的引用问题

    // 正常在业务操作，这里面比较的都是一个个对象；Integer不能超过-128～127
    static AtomicStampedReference atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(1,1);

    // CAS  compareAndSet : 比较并交换！
    public static void main(String[] args) {

        new Thread(()->{
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp(); // 获得版本号
            System.out.println("a1=>"+stamp);

            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            Lock lock = new ReentrantLock(true);
            atomicStampedReference.compareAndSet(1, 2,
                    atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);

            System.out.println("a2=>"+atomicStampedReference.getStamp());

            System.out.println(atomicStampedReference.compareAndSet(2, 1, atomicStampedReference.getStamp(),atomicStampedReference.getStamp() + 1));//版本号+1
            System.out.println("a3=>"+atomicStampedReference.getStamp());

        },"a").start();

        // 乐观锁的原理相同！
        new Thread(()->{
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp(); // 获得版本号
            System.out.println("b1=>"+stamp);

            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            System.out.println(atomicStampedReference.compareAndSet(1, 6,
                    stamp, stamp + 1));

            System.out.println("b2=>"+atomicStampedReference.getStamp());

        },"b").start();

    }
}

Integer 使用了对象缓存机制，默认范围是 -128 ~ 127 ，推荐使用静态工厂方法 valueOf 获取对象实例，而不是 new，因为 valueOf 使用缓存，而 new 一定会创建新的对象分配新的内存空间；

21. 各种锁的理解

(1) 公平锁、非公平锁 

公平锁： 非常公平， 不能够插队，必须先来后到！

非公平锁：非常不公平，可以插队 （默认都是非公平）效率高

public ReentrantLock(){
    sync = new NonfairSync(); 
}
public ReentrantLock(boolean fair) {    
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync(); 
}

(2) 可重入锁（递归锁）

所有锁都是可重入锁。

// Synchronized
public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone();

        new Thread(()->{
            phone.sms();
        },"A").start();


        new Thread(()->{
            phone.sms();
        },"B").start();
    }
}
class Phone{

    public synchronized void sms(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "sms");
        call(); // 这里也有锁
    }
    public synchronized void call(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "call");
    }
}

可以看到尽管调用了其他方法，可以理解为同一把锁。

Lock锁：

public class Demo02 {
    public static void main(String[] args) {
        Phone2 phone = new Phone2();

        new Thread(()->{
            phone.sms();
        },"A").start();

        new Thread(()->{
            phone.sms();
        },"B").start();
    }
}
class Phone2{
    Lock lock = new ReentrantLock();

    public void sms(){
        lock.lock(); // 细节问题：lock.lock(); lock.unlock(); // lock 锁必须配对，否则就会死在里面
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "sms");
            call(); // 这里也有锁
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
            lock.unlock();
        }
    }
    public void call(){

        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "call");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

(3) 自旋锁（spinlock）

不断尝试，直到成功

我们来自定义一个锁测试

/**
 * 自旋锁
 */
public class SpinlockDemo {

    // int 0
    // Thread null
    AtomicReference atomicReference = new AtomicReference<>();
    // 加锁
    public void myLock(){
        Thread thread = Thread.currentThread();
       
        // 自旋锁
        while (!atomicReference.compareAndSet(null,thread)){
            //如果线程是空的，就把它丢进去无限循环
        }
 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "==> mylock");
    }
    // 解锁
    public void myUnLock(){
        Thread thread = Thread.currentThread();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "==> myUnlock");
        atomicReference.compareAndSet(thread,null);
    }
}

测试

public class TestSpinLock {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//        ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
//        reentrantLock.lock();
//        reentrantLock.unlock();

        // 底层使用的自旋锁CAS
        SpinlockDemo lock = new SpinlockDemo();
        new Thread(()-> {
            lock.myLock();

            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.myUnLock();
            }

        },"T1").start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        new Thread(()-> {
            lock.myLock();

            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.myUnLock();
            }

        },"T2").start();

    }
}

 

t1先拿到锁，t2卡在自旋前面，然后t1解锁，t2才有资格拿到锁并解锁。

(4) 死锁

死锁是什么: 两个人互相抢夺资源

产生死锁的原因主要是：

（1） 因为系统资源不足。
（2） 进程运行推进的顺序不合适。
（3） 资源分配不当等。
如果系统资源充足，进程的资源请求都能够得到满足，死锁出现的可能性就很低，否则就会因争夺有限的资源而陷入死锁。其次，进程运行推进顺序与速度不同，也可能产生死锁。

产生死锁的四个必要条件：

死锁的四要素：互斥使用资源，占用等待资源，不可抢占资源，循环等待资源

（1） 互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。
（2） 请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
（3） 不剥夺条件:进程已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺。
（4） 循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
这四个条件是死锁的必要条件，只要系统发生死锁，这些条件必然成立，而只要上述条件之一不满足，就不会发生死锁。

死锁测试，怎么排除死锁

关于synchronized () 括号中应该传什么对象？https://blog.csdn.net/qq_35993946/article/details/86359250

public class DeadLockDemo {
    public static void main(String[] args) {

        String lockA = "lockA";
        String lockB = "lockB";//两个锁的对象

        new Thread(new MyThread(lockA, lockB), "T1").start();//A想拿B
        new Thread(new MyThread(lockB, lockA), "T2").start();

    }
}

class MyThread implements Runnable{

    private String lockA;
    private String lockB;

    public MyThread(String lockA, String lockB) {
        this.lockA = lockA;
        this.lockB = lockB;
    }
    @Override
    public void run() {
        synchronized (lockA){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "lock:"+lockA+"=>get"+lockB);

            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            synchronized (lockB){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "lock:"+lockB+"=>get"+lockA);
            }

        }
    }
}

解决问题：

1）使用 jps -l 定位进程号

获得当前活着的一些进程

2）使用 jstack 进程号 找到死锁问题:

jstack 11444

谈谈面试：工作中！如何排查问题！

• 日志
• 堆栈 （区分度）