JAVA并发编程（一）：基础知识

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1. 并发和并行

• 并发是指同一个时间段内多个任务同时都在执行，而单位时间内只有一个任务在执行，单个cpu通过切换线程上下文实现。
• 并行是说在单位时间内多个任务同时在不同cpu上执行。

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2. 并发的多面性

线程安全性：

• 共享资源可以被多个线程所持有或者说多个线程都可以去访问该资源。
• 线程安全性是指当多个线程同时读写一个共享资源并且没有任何同步措施时，导致出现脏数据或者其他不可预见的结果的问题。
• 如果多个线程都只是读取共享资源，而不去修改，那么就不会存在线程安全问题。

内存可见性问题：

• 线程读写变量时操作的是自己工作内存（如Ll 或者L2 缓存或者CPU 的寄存器）中的变量。
• 当一个线程操作共享变量时， 它首先从主内存复制共享变量到自己的工作内存， 然后对工作内存里的变量进行处理， 处理完后将变量值更新到主内存。
• 由于线程可能通过缓存命中读取到需要的值，我们无法确保执行读操作的线程能适时地看到其他线程写入主内存的值。

指令重排序：

• JAVA允许编译器和处理器对指令重排序以提高运行性能， 并且只会对不存在数据依赖性的指令重排序。在单线程下重排序可以保证最终执行的结果与程序顺序执行的结果一致。
• 重排序在多线程下会导致非预期的程序执行结果
• 使用volatile修饰变量避免重排序和内存可见性问题。写volatile 变量时，可以确保volatile 写之前的操作不会被编译器重排序到volatile 写之后。读volatile 变量时，可以确保volatile 读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前。

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3. synchronized

• synchronized 块是Java 提供的一种原子性内置锁，是排他锁，经常被用来实现原子性操作
• 线程的执行代码在进入synchronized 代码块前会自动获取内部锁，这时候其他线程访问该同步代码块时会被阻塞挂起。
• 拿到内部锁的线程会在正常退出同步代码块或者抛出异常后或者在同步块内调用了该内置锁资源的wait 系列方法时释放该内置锁。
• synchronized 的使用就会导致上下文切换。当阻塞一个线程时，需要从用户态切换到内核态执行阻塞操作。
• 保证内存可见性：
  进入synchronized块直接从主内存中获取共享变量。
  退出synchronized 块把在synchronized 块内对共享变量的修改刷新到主内存。

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4. volatile

• 对于解决内存可见性问题， Java 提供了一种弱形式的同步volatile，该关键字可以确保对一个变量的更新对其他线程马上可见。
• 当一个变量被声明为volatile 时，线程在写入变量时不会把值缓存在寄存器或者其他地方，而是会把值刷新回主内存。
• 当其他线程读取该共享变量时，会从主内存重新获取最新值，而不是使用当前线程的工作内存中的值。
• synchronized同样可以解决内存可见性问题，但它是独占锁，会存在线程上下文切换和线程重新调度的开销。
• 使用情况：
  【1】写入变量值不依赖变量的当前值时（这属于读取-计算-写入，volatile 不保证原子性）
  【2】读写变量值时没有加锁，加锁就不需要volatile了。

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5. 锁

乐观锁和悲观锁：

• 悲观锁指对数据被外界修改持保守态度，认为数据很容易就会被其他线程修改，所以在数据被处理前先对数据进行加锁，并在整个数据处理过程中，使数据处于锁定状态。在数据库中，在对数据记录操作前给记录加排它锁。如果获取锁失败， 则说明数据正在被其他线程修改， 当前线程则等待或者抛出异常。如果获取锁成功，则对记录进行操作，然后提交事务后释放排它锁。
• 乐观锁是相对悲观锁来说的，它认为数据在一般情况下不会造成冲突，所以在访问记录前不会加排它锁，而是在进行数据提交更新时，才会正式对数据冲突与否进行检测。

公平锁与非公平锁（根据线程获取锁的抢占机制）：

• 公平锁表示线程获取锁的顺序是按照线程请求锁的时间早晚来决定的
  ReentrantLock pairLock =new ReentrantLock(true)
• 非公平锁则是先来不一定先得。ReentrantLock默认构造函数是非公平锁。
• 在没有公平性需求的前提下尽量使用非公平锁，因为公平锁会带来性能开销。

独占锁与共享锁（根据锁只能被单个线程持有还是能被多个线程共同持有）：

• 独占锁保证任何时候都只有一个线程能得到锁，如ReentrantLock。
  独占锁是一种悲观锁，这限制了并发性，因为读操作并不会影响数据的一致性
• 共享锁则可以同时由多个线程持有，例如ReadWriteLock 读写锁，它允许一个资源可以被多线程同时进行读操作。
  共享锁是一种乐观锁

可重入锁：

• 当一个线程再次获取它自己已经获取的锁时如果不被阻塞，那么我们说该锁是可重入的。
• synchronized 内部锁是可重入锁
• 原理是在锁内部维护一个线程标示，用来标示该锁目前被哪个线程占用，然后关联一个计数器。一开始计数器值为0,说明该锁没有被任何线程占用。当一个钱程获取了该锁时，计数器的值会变成1，当获取了该锁的线程再次获取锁时发现锁拥有者是自己，就会把计数器值加+1,当释放锁后计数器值-1 。当计数器值为0 时锁里面的线程标示被重置为null。此时唤醒其他被阻塞的线程来竞争锁。

自旋锁：

• 当一个线程在获取锁（比如独占锁）失败后，会被切换到内核态而被挂起。当该线程获取到锁时又需要将其切换到内核状态而唤醒该线程。这带来了开销。
• 自旋锁使用CPU 时间换取线程阻塞与调度的开销，当前线程在获取锁时，如果发现锁已经被其他线程占有，它不马上阻塞自己，在不放弃CPU 使用权的情况下，多次尝试获取（默认次数是10 ，可以使用-XX:PreBlockSpinsh 参数设置），直到达到最大次数才挂起或获取到锁。