Java 并发编程与CAS基本原理
一、Java并发基础知识
Java里的程序天生就是多线程的，那么有几种新启线程的方式？
两种,启动线程的方式只有：
1、X extends Thread;，然后X.start；
2、X implements Runnable；然后交给Thread运行。
Java 线程的状态
Java中线程的状态分为6种：
1. 初始(NEW)：新创建了一个线程对象，但还没有调用start()方法。
2. 运行(RUNNABLE)：Java线程中将就绪（ready）和运行中（running）两种状态笼统的称为“运行”。线程对象创建后，其他线程(比如main线程）调用了该对象的start()方法。该状态的线程位于可运行线程池中，等待被线程调度选中，获取CPU的使用权，此时处于就绪状态（ready）。就绪状态的线程在获得CPU时间片后变为运行中状态（running）。
3. 阻塞(BLOCKED)：表示线程阻塞于锁。
4. 等待(WAITING)：进入该状态的线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。
5. 超时等待(TIMED_WAITING)：该状态不同于WAITING，它可以在指定的时间后自行返回。
6. 终止(TERMINATED)：表示该线程已经执行完毕。
状态之间的变迁如下图所示：
线程死锁
线程死锁，是指由于两个或者两个以上的线程互相持有对方所需要的资源，导致这些线程处于等待状态，无法前往执行，死锁不会抛出异常。
死锁的发生必须具备以下条件：
1）互斥条件：指线程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个线程占用。如果此时还有其它线程请求资源，则请求者只能等待，直至占有资源的线程用毕释放。
2）请求和保持条件：指线程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它线程占有，此时请求线程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。
3）不剥夺条件：指线程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。
4）环路等待条件：指在发生死锁时，必然存在一个线程——资源的环形链。
可以简单的理解：
1）M个线程访问（M>=2）,访问N个资源（N>=2），同时（N<=M）；
2）访问顺序不对，线程A和B都要访问资源C和D，A先访问了C，再访问D；B先访问D，再访问C；A访问完C之后，D被B占用着，只能等待B释放；同时B先访问完D之后，C被A占用着，只能等待A释放；AB都在占用和等待对方，导致死锁；
3）使用资源不释放，如果A访问完C之后就释放C，B访问完D之后就释放D，也不会导致死锁。
死锁代码示例 ：
public class NormalDeadLock {
private static Object No13 = new Object();//第一个锁
private static Object No14 = new Object();//第二个锁
//第一个拿锁的方法
private static void jamesDo() throws InterruptedException {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
synchronized (No13){
System.out.println(threadName+" get nO13");
Thread.sleep(100);
synchronized (No14){
System.out.println(threadName+" get nO14");
}
}
}
//第二个拿锁的方法
private static void lisonDo() throws InterruptedException {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
synchronized (No13){
System.out.println(threadName+" get nO13");
Thread.sleep(100);
synchronized (No14){
System.out.println(threadName+" get nO14");
}
}
}
//子线程，test2
private static class Test2 extends Thread{
private String name;
public Test2(String name) {
this.name = name;
}
@Override
public void run() {
Thread.currentThread().setName(name);
try {
jamesDo();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//主线程，test1
Thread.currentThread().setName("test1");
Test2 test2 = new Test2("test2");
test2.start();
lisonDo();
}
}死锁危害：
1、线程不工作了，但是整个程序还是活着的；
2、没有任何的异常信息可以供我们检查；
3、一旦程序发生了发生了死锁，是没有任何的办法恢复的，只能重启程序，对正式已发布程序来说，这是个很严重的问题。
死锁解决方式：
采用尝试拿锁的机制,两个线程在尝试拿锁的机制中，发生多个线程之间互相谦让，不断发生同一个线程总是拿到同一把锁，在尝试拿另一把锁时因为拿不到，而将本来已经持有的锁释放的过程。每个线程休眠随机数，错开拿锁的时间。
尝试拿锁解决死锁示例：
public class TryLock {
private static Lock No13 = new ReentrantLock();//第一个锁
private static Lock No14 = new ReentrantLock();//第二个锁
//先尝试拿No13 锁，再尝试拿No14锁，No14锁没拿到，连同No13 锁一起释放掉
private static void fisrtToSecond() throws InterruptedException {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
Random r = new Random();
while(true){
if(No13.tryLock()){
System.out.println(threadName
+" get 13");
try{
if(No14.tryLock()){
try{
System.out.println(threadName
+" get 14");
System.out.println("fisrtToSecond do work------------");
break;
}finally{
No14.unlock();
}
}
}finally {
No13.unlock();
}
}
Thread.sleep(r.nextInt(3));
}
}
//先尝试拿No14锁，再尝试拿No13锁，No13锁没拿到，连同No14锁一起释放掉
private static void SecondToFisrt() throws InterruptedException {
String threadName = Thread.currentThread().getName();
Random r = new Random();
while(true){
if(No14.tryLock()){
System.out.println(threadName
+" get 14");
try{
if(No13.tryLock()){
try{
System.out.println(threadName
+" get 13");
System.out.println("SecondToFisrt do work------------");
break;
}finally{
No13.unlock();
}
}
}finally {
No14.unlock();
}
}
Thread.sleep(r.nextInt(3));
}
}
private static class TestThread extends Thread{
private String name;
public TestThread(String name) {
this.name = name;
}
public void run(){
Thread.currentThread().setName(name);
try {
SecondToFisrt();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
Thread.currentThread().setName("TestDeadLock");
TestThread testThread = new TestThread("SubTestThread");
testThread.start();
try {
fisrtToSecond();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}ThreadLocal
ThreadLocal和Synchonized都用于解决多线程并发访问。可是ThreadLocal与synchronized有本质的差别。synchronized是利用锁的机制，使变量或代码块在某一时该仅仅能被一个线程访问。而ThreadLocal为每个线程都提供了变量的副本，使得每个线程在某一时间访问到的并非同一个对象，这样就隔离了多个线程对数据的数据共享。
ThreadLocal的使用
ThreadLocal类接口很简单，只有4个方法，我们先来了解一下：
1）void set(Object value)
设置当前线程的线程局部变量的值。
2）public Object get()
该方法返回当前线程所对应的线程局部变量。
3）public void remove()
将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存的占用，该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是，当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度。
4）protected Object initialValue()
返回该线程局部变量的初始值，该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行，并且仅执行1次。ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。
public final static ThreadLocal
二、CAS基本原理
什么是原子操作？如何实现原子操作？
假定有两个操作A和B(A和B可能都很复杂)，如果从执行A的线程来看，当另一个线程执行B时，要么将B全部执行完，要么完全不执行B，那么A和B对彼此来说是原子的。
实现原子操作可以使用锁，锁机制，满足基本的需求是没有问题的了，但是有的时候我们的需求并非这么简单，我们需要更有效，更加灵活的机制，synchronized关键字是基于阻塞的锁机制，也就是说当一个线程拥有锁的时候，访问同一资源的其它线程需要等待，直到该线程释放锁，
这里会有些问题：首先，如果被阻塞的线程优先级很高很重要怎么办？其次，如果获得锁的线程一直不释放锁怎么办？（这种情况是非常糟糕的）。还有一种情况，如果有大量的线程来竞争资源，那CPU将会花费大量的时间和资源来处理这些竞争，同时，还有可能出现一些例如死锁之类的情况，最后，其实锁机制是一种比较粗糙，粒度比较大的机制，相对于像计数器这样的需求有点儿过于笨重。
实现原子操作还可以使用当前的处理器基本都支持CAS()的指令，只不过每个厂家所实现的算法并不一样，每一个CAS操作过程都包含三个运算符：一个内存地址V，一个期望的值A和一个新值B，操作的时候如果这个地址上存放的值等于这个期望的值A，则将地址上的值赋为新值B，否则不做任何操作。
CAS的基本思路就是，如果这个地址上的值和期望的值相等，则给其赋予新值，否则不做任何事儿，但是要返回原值是多少。循环CAS就是在一个循环里不断的做cas操作，直到成功为止。
CAS实现原子操作的三大问题：
ABA问题：
因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。
ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A→B→A就会变成1A→2B→3A。举个通俗点的例子，你倒了一杯水放桌子上，干了点别的事，然后同事把你水喝了又给你重新倒了一杯水，你回来看水还在，拿起来就喝，如果你不管水中间被人喝过，只关心水还在，这就是ABA问题。
如果你是一个讲卫生讲文明的小伙子，不但关心水在不在，还要在你离开的时候水被人动过没有，因为你是程序员，所以就想起了放了张纸在旁边，写上初始值0，别人喝水前麻烦先做个累加才能喝水。
循环时间长开销大：
自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。
只能保证一个共享变量的原子操作：
当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。
还有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如，有两个共享变量i＝2，j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java 1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。
Jdk中相关原子操作类的使用：
AtomicInteger ：
•int addAndGet（int delta）：以原子方式将输入的数值与实例中的值（AtomicInteger里的value）相加，并返回结果。
•boolean compareAndSet（int expect，int update）：如果输入的数值等于预期值，则以原子方式将该值设置为输入的值。
•int getAndIncrement()：以原子方式将当前值加1，注意，这里返回的是自增前的值。
•int getAndSet（int newValue）：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。
AtomicIntegerArray：
主要是提供原子的方式更新数组里的整型，其常用方法如下。
•int addAndGet（int i，int delta）：以原子方式将输入值与数组中索引i的元素相加。
•boolean compareAndSet（int i，int expect，int update）：如果当前值等于预期值，则以原子方式将数组位置i的元素设置成update值。
需要注意的是，数组value通过构造方法传递进去，然后AtomicIntegerArray会将当前数组复制一份，所以当AtomicIntegerArray对内部的数组元素进行修改时，不会影响传入的数组。
更新引用类型：
原子更新基本类型的AtomicInteger，只能更新一个变量，如果要原子更新多个变量，就需要使用这个原子更新引用类型提供的类。Atomic包提供了以下3个类。
AtomicReference：原子更新引用类型。
AtomicStampedReference：利用版本戳的形式记录了每次改变以后的版本号，这样的话就不会存在ABA问题了。这就是AtomicStampedReference的解决方案。AtomicMarkableReference跟AtomicStampedReference差不多， AtomicStampedReference是使用pair的int stamp作为计数器使用，AtomicMarkableReference的pair使用的是boolean mark。 还是那个水的例子，AtomicStampedReference可能关心的是动过几次，AtomicMarkableReference关心的是有没有被人动过，方法都比较简单。
AtomicMarkableReference：原子更新带有标记位的引用类型。可以原子更新一个布尔类型的标记位和引用类型。构造方法是AtomicMarkableReference（V initialRef，booleaninitialMark）。