java的多线程高并发详解
作者：清云青云
1.JMM数据原子操作
- read(读取)∶从主内存读取数据
- load(载入):将主内存读取到的数据写入工作内存
- use(使用):从工作内存读取数据来计算
- assign(赋值):将计算好的值重新赋值到工作内存中
- store(存储):将工作内存数据写入主内存
- write(写入):将store过去的变量值赋值给主内存中的变量
- lock(锁定):将主内存变量加锁，标识为线程独占状态
- unlock(解锁):将主内存变量解锁,解锁后其他线程可以锁定该变量
2.来看volatile关键字
（1）启动两个线程
public class VolatileDemo {
private static boolean flag = false;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(() -> {
while (!flag){
}
System.out.println("跳出while循环了");
}).start();
Thread.sleep(2000);
new Thread(() -> changeFlage()).start();
}
private static void changeFlage() {
System.out.println("开始改变flag值之前");
flag = true;
System.out.println("改变flag值之后");
}
}
没加volatile之前，第一个线程的while判断一直满足
（2）给变量flag加了volatile之后
public class VolatileDemo {
private static volatile boolean flag = false;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(() -> {
while (!flag){
}
System.out.println("跳出while循环了");
}).start();
Thread.sleep(2000);
new Thread(() -> changeFlage()).start();
}
private static void changeFlage() {
System.out.println("开始改变flag值之前");
flag = true;
System.out.println("改变flag值之后");
}
}
while语句能够满足条件
（3）原理解释：
开启第一个线程时，flag变量通过read从主内存中读出数据，使用load把数据加载进线程一的工作内存，通过use把flag读取到线程中；线程二也是同样的读取操作。线程二通过assign改变了flag的值，线程二工作内存中存储的flag=true，再通过store把flag写入到总线，总线再把flag通过write写入到住内存；由于两个线程读取操作的都是各种工作内存中的值，是主内存的副本，相互不通信，所以线程一一直再循环，线程一的flag为false。
加了volatile后，添加了缓存一致性协议（MESI）,CPU通过总线嗅探机制感知到数据的变化而自己缓存里的值失效，此时线程一会把工作内存中存放的flag失效，从主内存中重新读取flag的值，此时满足while条件。
volatile底层通过汇编语言的lock修饰，当变量有修改立马写回主类，避免指令重排序
3.并发编程三大特性
可见性，有序性、原子性
4.双锁判断机制创建单例模式
public class DoubleCheckLockSinglenon {
private static volatile DoubleCheckLockSinglenon doubleCheckLockSingleon = null;
public DoubleCheckLockSinglenon(){}
public static DoubleCheckLockSinglenon getInstance(){
if (null == doubleCheckLockSingleon) {
synchronized(DoubleCheckLockSinglenon.class){
if(null == doubleCheckLockSingleon){
doubleCheckLockSingleon = new DoubleCheckLockSinglenon();
}
}
}
return doubleCheckLockSingleon;
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(DoubleCheckLockSinglenon.getInstance());
}
}
当线程调用getInstance方法创建的时候，先判断是否为空，为空则把对象加上锁，否则多线程的情况会创建重复，再锁里面再次判断是否为空，当new一个对象的时候，先在内存分配空间，再执行对象的init属性赋零操作，再执行初始化赋值操作。
cpu为了优化代码执行效率，会对满足as-if-serial和happens-before原则的代码进行指令重排序，as-if-serial规定线程内的执行代码顺序不影响结果输出，则会进行指令重排；
happens-before规定一些锁的顺序，同一个对象的unlock需要出现下一个lock之前等。
所以为了防止new的时候，指令重排，先进行赋值再执行赋零操作情况，需要加上volatile修饰符，加上volatile修饰后，在new操作时会创建内存屏障，高速cpu不进行指令重排序，底层是lock关键字；内存屏障分为LoadLoad（读读）、storestore（写写）、loadstore（读写）、storeload（写读），底层是c++代码写的，c++代码再调用汇编语言
5.synchronized关键字
（1）没加synchronized之前
package com.qingyun;
/**
* Synchronized关键字
*/
public class SynchronizedDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Num num = new Num();
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0;i < 100000;i++) {
num.incrent();
}
});
t1.start();
for (int i = 0;i < 100000;i++) {
num.incrent();
}
t1.join();
System.out.println(num.getNum());
}
}
package com.qingyun;
public class Num {
public int num = 0;
public void incrent() {
num++;
}
public int getNum(){
return num;
}
}
输出结果不是我们想要的，由于线程和for循环同时去调加的方法，导致最后输出的结果不是我们想要的
（2）加上synchronized之后
public synchronized void incrent() {
num++;
}
//或者
public void incrent() {
synchronized(this){
num++;
}
}
输出的结果是我们想要的，synchronized关键字底层使用的lock，是重量级锁，互斥锁、悲观锁，jdk1.6之前的锁，线程会放到一个队列里面等待着执行
6.AtomicIntger原子操作
（1）给原子加1的操作，可以使用AtomicInteger实现，与synchronized相比，性能大大提升
public class Num {
// public int num = 0;
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
public void incrent() {
atomicInteger.incrementAndGet(); //原子加1
}
public int getNum(){
return atomicInteger.get();
}
}
AtomicInteger源码有一个value字段，使用volatile修饰，volatile底层使用lock修饰，保证多线程并发结果的正确
private volatile int value;
（2）atomicInteger.incrementAndGet()方法做的事情:先获取到value的值，给值加1，再使用旧的值和atomicInteger进行比较，相等了把newValue设置进去，由于使用多线程可能值会不相等的情况，所以使用while进行循环比对，相等了执行完才推出
while(true) {
int oldValue = atomicInteger.get();
int newValue = oldValue+1;
if(atomicInteger.compareAndSet(oldValue,newValue)){
break;
}
}
（3）atomicInteger.compareAndSet比对完值后才设置新值的方式即为CAS：无锁、乐观锁、轻量级锁，synchroznied存在线程阻塞、上行文切换、操作系统调度比较费时；CAS一直循环比对执行，效率要高
（4）compareAndSetInt底层使用native修饰，底层是c++代码，实现了原子性问题，在汇编语言使用代码lock cmpxchqq保证了原子性，是缓存行锁
（5）ABA问题：线程一那到一个变量，线程二执行比较快，也拿到这个变量，把变量的值进行修改，再快速修改回原来的值，这样变量的值有过一次变化，线程一再去执行compareAndSet的时候，虽然值还是之前的没变，但是已经发生过变化了，出现ABA问题
（6）解决ABA问题就是给变量加版本，每次操作变量版本加1，JDK带版本的锁有AtomicStampedReference，这样就算变量被其它线程修改过再回复原值，版本号也是不一致的。
7.锁优化
（1）重量级锁会把等待的线程放到队列中，重量级锁锁定的是monitor，存在上下问切换的资源占用；轻量级锁若是线程太多，会存在自旋，耗费cpu
（2）jdk1.6之后，锁升级为无状态-》偏向锁（锁id指定）-》轻量级锁（自旋膨胀）-》重量级锁（队列存储）
（3）创建一个对象，此时对象为无状态，当启动了一个线程时，再创建一个对象时，启用偏向锁，偏向锁执行完之后不会释放锁；当再启用一个线程时，有两个线程来挣抢对象时，立马又偏向锁升级为轻量级锁；当再创建一个线程的来挣抢对象锁时，由轻量级锁升级为重量级锁
（4）分段CAS，底层有一个base记录变量值，当有多个线程类访问此变量是，base的值会分为多个cell，组成数组，每个cell对应一到多个线程的cas处理，避免了线程的自旋空转，这样还是轻量级锁，返回数据的时候，底层调用的是所有cell数组和base的加和
public class Num {
LongAdder longAdder = new LongAdder();
public void incrent() {
longAdder.increment();
}
public long getNum(){
return longAdder.longValue();
}
}
public long longValue() {
return sum();
}
public long sum() {
Cell[] as = cells; Cell a;
long sum = base;
if (as != null) {
for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
if ((a = as[i]) != null)
sum += a.value;
}
}
return sum;
}
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