JUC包是与并发编程相关的包,主要包含四部分锁
、原子类
、并发集合
、多线程
,如下图所示。
其中,
CAS
实现的原子类;ConcurrentHashMap
,BlockQueue
等;i++
线程不安全的原因在于自增操作不是原子性
的,可以分为三步:内存取值
、寄存器加1
、存值到内存
。
除了原子性之外,可见性
和有序性
也会导致线程安全问题。可见性是指线程B并不一定能够及时看到线程A对变量的修改。
Synchronize关键字可以作用在方法上
,也可以作用于代码块上
,本质上都是锁住了某个对象
,但synchronize作用于方法上是一种粗粒度的锁,会导致其他线程也不能访问该对象的其他方法。
在JVM
的堆中,每个对象都会有一个对象监视器,synchronize就是锁住了这个对象监视器
,从而保证了原子性。
那么如何保证可见性
呢?线程加锁时,必须清空工作内存中共享变量的值,从而使用共享变量时需要从主内存重新读取;线程在解锁时,需要把工作内存中最新的共享变量的值写入到主存,以此来保证共享变量的可见性。(这里是个泛指,不是说只有在退出synchronized时才同步变量到主存)
Java的对象都放在JVM的堆中,每个对象的结构包括:
对象头:
Mark Word:记录哈希码,GC标志位、锁状态等信息。不同锁状态下Mark Word是不同的,但最后两位都代表了锁状态。
类对象指针:指向方法区的该类相关信息
数组长度:如果对象是数组才有此结构
对象体:包含对象的实例变量,包含父类的实例变量
对齐字节:为了保证8字节的对齐而填充的数据
为了优化Synchronize
锁的性能,Java提出了逐步升级的四种锁:无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁。
CAS
尝试获取锁,降低了阻塞线程的消耗。自旋等待时间和上一个竞争线程等待结果有关:如果上一个竞争线程自旋成功了,那么这次自旋的次数会更多;如果上一个竞争线程自旋失败了,那么这次自旋的次数会减少。自旋不会一直持续下去,如果超过了指定时间,会膨胀为重量级锁!监视器
通过三个队列(竞争队列、阻塞队列、等待时间片的就绪队列)来登记和管理排队的线程,会涉及到线程的阻塞,切换用户态。轻量级锁执行过程:
1、判断对象是否加锁,如果没加锁,进行以下操作
2、在自己的栈帧中创建锁记录,用来存放加锁对象的哈希码
3、创建好锁记录后,通过CAS自旋操作,尝试将锁对象头的锁记录指针替换成栈帧中锁记录的地址
4、替换栈帧后会返回锁对象的哈希码,然后填入栈帧的锁记录中
可以使用Object
的wait()
,notify()
方法来进行线程间的通信。
wait()方法的原理:
1)当线程调用了lock
(某个同步锁对象)的wait()
方法后,JVM
会将当前线程加入lock
监视器的WaitSet
(等待集),等待被其他线程唤醒。
2)当前线程会释放lock
对象监视器的Owner
权利,让其他线程可以抢夺lock
对象的监视器。
3)让当前线程等待,其状态变成WAITING
。
notify()方法的原理:
1)当线程调用了lock
(某个同步锁对象)的notify()
方法后,JVM
会唤醒lock
监视器WaitSet
中的第一个等待线程。
2)当线程调用了lock
的notifyAll()
方法后,JVM
会唤醒lock
监视器WaitSet
中的所有等待线程。
3)等待线程被唤醒后,会从监视器的WaitSet
移动到EntryList
,线程具备了排队抢夺监视器Owner
权利的资格,其状态从WAITING
变成BLOCKED
。
4)EntryList
中的线程抢夺到监视器Owner
权利之后,线程的状态从BLOCKED
变成Runnable
,具备重新执行的资格。
缓冲队列
/**
* 生产者消费者队列
*/
//数据缓冲区,类定义
public class DataBuffer<T> {
public static final int MAX_AMOUNT = 10; //数据缓冲区最大长度
//保存数据
private List<T> dataList = new LinkedList<>();
//数据缓冲区长度
private Integer amount = 0;
// 用来保证只有一个线程存元素或者取元素
private final Object LOCK_OBJECT = new Object();
// 当队列满了后,用于阻塞生产者
private final Object NOT_FULL = new Object();
// 当队列为空时,用于阻塞消费者
private final Object NOT_EMPTY = new Object();
// 向数据区增加一个元素
public void add(T element) throws Exception
{
// 队列已满,不能存元素
while (amount > MAX_AMOUNT)
{
synchronized (NOT_FULL)
{
System.out.println("队列已经满了!");
// 等待未满通知,这里为什么需要wait,是因为需要等待一个条件满足,而不能只用synchronize,某一时刻只有一个线程拥有NOT_FULL是不行的
NOT_FULL.wait();
}
}
// 保证原子性
synchronized (LOCK_OBJECT)
{
dataList.add(element);
amount++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "生产了一条消息" + amount);
}
synchronized (NOT_EMPTY)
{
//发送未空通知
NOT_EMPTY.notify();
}
}
/**
* 从数据区取出一个商品
*/
public T fetch() throws Exception
{
// 数量为零,不能取元素
while (amount <= 0)
{
synchronized (NOT_EMPTY)
{
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "队列已经空了!");
//等待未空通知
NOT_EMPTY.wait();
}
}
T element = null;
// 保证原子性
synchronized (LOCK_OBJECT)
{
element = dataList.remove(0);
amount--;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "消费了一条消息" + amount);
}
synchronized (NOT_FULL)
{
//发送未满通知
NOT_FULL.notify();
}
return element;
}
}
生产者和消费者
@Test
public void testProducerConsumerQueue() throws InterruptedException {
//共享数据区,实例对象
DataBuffer<String> dataBuffer = new DataBuffer<>();
// 同时并发执行的线程数
final int THREAD_TOTAL = 20;
//线程池,用于多线程模拟测试
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(THREAD_TOTAL);
//假定共11条线程,其中有10个消费者,但是只有1个生产者
final int CONSUMER_TOTAL = 10;
final int PRODUCE_TOTAL = 1;
for (int i = 0; i < PRODUCE_TOTAL; i++) {
//生产者线程每生产一个商品,间隔50毫秒
threadPool.submit(() -> {
for (int j = 0; j < 10; j ++) {
//首先生成一个随机的商品
String s = "商品";
//将商品加上共享数据区
try {
dataBuffer.add(s);
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
});
}
for (int i = 0; i < CONSUMER_TOTAL; i++)
{
//消费者线程每消费一个商品,间隔100毫秒
threadPool.submit(() -> {
for (int j = 0; j < 2; j ++) {
// 从PetStore获取商品
String s = null;
try {
s = dataBuffer.fetch();
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
});
}
Thread.sleep(10000);
}
Synchronize
与wait
都会将线程加入到等待队列中,但是两者加入的等待队列并不是同一个,Synchronize
加入的是对象监视器的等待队列
,当退出Synchronize
代码块后会自动唤醒线程,而wait
是Object
的方法,加入的是另一个等待集合
,只能通过notify()
或notifyAll()
唤醒。
CAS(Compare And Swap),是比较交换的缩写,可以用来实现乐观锁
。乐观锁本质上是无锁的,每次更新前都把原来的旧值和要更新的新值一块传入,如果发现传入的旧值和当前内存上的旧值一样,则更新成功;否则更新失败;
乐观锁就是一直调用CAS操作,不断获取旧值,计算新值,然后传入旧值和新值进行更新,线程一直在自旋,直到更新成功为止。
示例
public class CompareAndSwap {
public volatile int value; //值
//不安全类
// private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final Unsafe unsafe = getUnsafe();
//value 的内存偏移(相对与对象头部的偏移,不是绝对偏移)
private static final long valueOffset;
//统计失败的次数
public static final AtomicLong failure = new AtomicLong(0);
static
{
try
{
//取得value属性的内存偏移
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(CompareAndSwap.class.getDeclaredField("value"));
System.out.println("valueOffset:=" + valueOffset);
} catch (Exception ex) {
throw new Error(ex);
}
}
//通过CAS原子操作,进行“比较并交换”
public final boolean unSafeCompareAndSet(int oldValue, int newValue)
{
//原子操作:使用unsafe的“比较并交换”方法进行value属性的交换
return unsafe.compareAndSwapInt( this, valueOffset, oldValue, newValue );
}
//使用无锁编程实现安全的自增方法
public void selfPlus()
{
int oldValue = value;
//通过CAS原子操作,如果操作失败就自旋,直到操作成功
for(;;) {
oldValue = value;
failure.incrementAndGet();
if (unSafeCompareAndSet(oldValue, oldValue + 1)) return;
}
// do
// {
// // 获取旧值
// oldValue = value;
// //统计无效的自旋次数
// //记录失败的次数
// failure.incrementAndGet();
// } while (!unSafeCompareAndSet(oldValue, oldValue + 1));
}
/**
* 通过反射获取Unsafe
* @return
*/
public static Unsafe getUnsafe()
{
try {
Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
theUnsafe.setAccessible(true);
return (Unsafe) theUnsafe.get(null);
} catch (Exception e) {
throw new AssertionError(e);
}
}
}
/**
* 测试CAS操作
* @throws InterruptedException
*/
@Test
public void testCAS() throws InterruptedException {
final CompareAndSwap compareAndSwap = new CompareAndSwap();
AtomicInteger res = new AtomicInteger(0);
//倒数闩,需要倒数THREAD_COUNT次
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(10);
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
// 提交10个任务
Executors.newCachedThreadPool().submit(() ->
{
//每个任务累加1000次
for (int j = 0; j < 1000; j++)
{
compareAndSwap.selfPlus();
res.getAndIncrement();
}
latch.countDown();// 执行完一个任务,倒数闩减少一次
});
}
latch.await();// 主线程等待倒数闩倒数完毕
System.out.println(res);
System.out.println("累加之和:" + compareAndSwap.value);
System.out.println("失败次数:" + CompareAndSwap.failure.get());
}
JUC
原子类JUC
包下的原子类可以分为四组:
AtomicInteger
,整型;AtomicLong
,大整数;AtomicBoolean
:布尔型;AtomicIntegerArray
:整型数组原子类;AtomicLongArray
:长整型数组原子类;AtomicReferenceArray
:引用类型数组原子类。AtomicReference
:引用类型原子类;AtomicMarkableReference
:带有更新标记位的原子引用类型;AtomicStampedReference
:带有更新版本号的原子引用类型。AtomicIntegerFieldUpdater
:原子更新整型字段的更新器;AtomicLongFieldUpdater
:原子更新长整型字段的更新器;AtomicReferenceFieldUpdater
:原子更新引用类型里的字段。JUC
原子类下的底层实现也是通过不断CAS自旋+volatile(实现可见性)
实现的,可以从源码看到。
ABA
问题使用CAS自旋
更新虽然没有加锁,降低了线程切换成本,但是容易产生ABA
问题。即线程1将值从A到B又到A,此时线程2被唤醒,以为变量没有改变过,从而引起错误的判断。解决办法是添加时间戳
,可以借助AtomicStampedReference
原子类实现。
现代处理器都是多核的,每个核都会有自己独有的高速缓存L1,L2,L3
,这些核又共享一个主内存,每次涉及变量更新或读取时,CPU都是先从高级缓存中读取并进行修改,然后随机写入到主存。这样就产生了问题,如果核1
对公有变量A进行了修改,但是还没来得及写入主存,那么核2
从主存中读取到的值就是未及时更新的脏值。
一般操作系统会使用Lock指令
在总线上进行广播,哪些变量的高速缓存已失效,必须从主存中重新读取。Java的volatile
关键字会在字节码上加入loadload
、loadstore
、storestore
、storeload
内存屏障来保证更改后的变量立即写入主存,且告知其他核的高速缓存该值已失效,必须从主内存重新读取。
volatile并不保证原子性,因为虽然volatile会强制将修改刷回主存,但是修改并刷回主存的指令不是原子性的,可能有中断的可能。比如线程A修改完变量后,准备刷回主存,这时发生了线程调度,线程B知道自己的数据失效了,但是从主存中重新获取的数据不一定是最新的,因为线程A只是在本地修改了数据,但还没有写入主存。
内存屏障与JVM指令
如果你知道这灵魂拷问的6连击,面试volitile时就稳了
所有的锁实现类都会实现Lock
接口,该接口主要有以下几个方法:
lock()
:阻塞获取锁,如果当前线程不能抢到锁,线程会加入阻塞队列进行等待,直到获取到锁;
tryLock()
: 非阻塞抢锁,如果当前线程抢不到锁,线程会立刻返回false
;
tryLock(long time, TimeUnit unit)
: 超时返回,如果当前线程在一段时间内抢不到锁,则会返回false
;
unlock()
: 释放锁;
下面是一个使用ReentrantLock
的示例,使用三个线程同时对某一个执行加一操作,每个线程操作100次,累计300次。
public class LockTest {
private int count;
@Test
public void testReentrantLock() throws InterruptedException {
Lock lock = new ReentrantLock();
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(3);
for (int i = 0; i < 3; i ++) {
executorService.execute(() -> {
for (int j = 0; j < 100; j ++) {
// 获取锁
lock.lock();
try {
count ++;
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}
// 每完成一个线程,就更新countDownLatch
countDownLatch.countDown();
});
}
countDownLatch.await();
System.out.println(count);
}
}
显式锁的分类有很多种,大致上可以分为下面这些:
JUC
包下的显式锁都是基于AQS
实现的,AQS
使用一个队列保存想要获取锁的线程,同时在队头使用CAS
竞争获取锁,不会阻塞线程,是一种乐观锁
。
当有新线程加入时,会通过CAS
加入队尾,然后监控队列前一个元素的状态,这时不会发生CAS
,但线程也不会阻塞,而是会调用yield()
主动让出时间片。
Java中常见的各种锁