java的多線程高並發詳解

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1.JMM數據原子操作

  • read(讀取)∶從主內存讀取數據
  • load(載入):將主內存讀取到的數據寫入工作內存
  • use(使用):從工作內存讀取數據來計算
  • assign(賦值):將計算好的值重新賦值到工作內存中
  • store(存儲):將工作內存數據寫入主內存
  • write(寫入):將store過去的變量值賦值給主內存中的變量
  • lock(鎖定):將主內存變量加鎖，標識為線程獨占狀態
  • unlock(解鎖):將主內存變量解鎖,解鎖後其他線程可以鎖定該變量

2.來看volatile關鍵字

（1）啟動兩個線程

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循環瞭");
        }).start();
 
        Thread.sleep(2000);
        new Thread(() -> changeFlage()).start();
    }
 
    private static void changeFlage() {
        System.out.println("開始改變flag值之前");
        flag = true;
        System.out.println("改變flag值之後");
    }
}

沒加volatile之前，第一個線程的while判斷一直滿足

（2）給變量flag加瞭volatile之後

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循環瞭");
        }).start();
 
        Thread.sleep(2000);
        new Thread(() -> changeFlage()).start();
    }
 
    private static void changeFlage() {
        System.out.println("開始改變flag值之前");
        flag = true;
        System.out.println("改變flag值之後");
    }
}

while語句能夠滿足條件

（3）原理解釋：

開啟第一個線程時，flag變量通過read從主內存中讀出數據，使用load把數據加載進線程一的工作內存，通過use把flag讀取到線程中；線程二也是同樣的讀取操作。線程二通過assign改變瞭flag的值，線程二工作內存中存儲的flag=true，再通過store把flag寫入到總線，總線再把flag通過write寫入到住內存；由於兩個線程讀取操作的都是各種工作內存中的值，是主內存的副本，相互不通信，所以線程一一直再循環，線程一的flag為false。

加瞭volatile後，添加瞭緩存一致性協議（MESI）,CPU通過總線嗅探機制感知到數據的變化而自己緩存裡的值失效，此時線程一會把工作內存中存放的flag失效，從主內存中重新讀取flag的值，此時滿足while條件。

volatile底層通過匯編語言的lock修飾，當變量有修改立馬寫回主類，避免指令重排序

3.並發編程三大特性

可見性，有序性、原子性

4.雙鎖判斷機制創建單例模式

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());
 
    }
 
}

當線程調用getInstance方法創建的時候，先判斷是否為空，為空則把對象加上鎖，否則多線程的情況會創建重復，再鎖裡面再次判斷是否為空，當new一個對象的時候，先在內存分配空間，再執行對象的init屬性賦零操作，再執行初始化賦值操作。

cpu為瞭優化代碼執行效率，會對滿足as-if-serial和happens-before原則的代碼進行指令重排序，as-if-serial規定線程內的執行代碼順序不影響結果輸出，則會進行指令重排；

happens-before規定一些鎖的順序，同一個對象的unlock需要出現下一個lock之前等。

所以為瞭防止new的時候，指令重排，先進行賦值再執行賦零操作情況，需要加上volatile修飾符，加上volatile修飾後，在new操作時會創建內存屏障，高速cpu不進行指令重排序，底層是lock關鍵字；內存屏障分為LoadLoad（讀讀）、storestore（寫寫）、loadstore（讀寫）、storeload（寫讀），底層是c++代碼寫的，c++代碼再調用匯編語言

5.synchronized關鍵字

（1）沒加synchronized之前

package com.qingyun;
 
/**
 * Synchronized關鍵字
 */
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;
    }
}

輸出結果不是我們想要的，由於線程和for循環同時去調加的方法，導致最後輸出的結果不是我們想要的

（2）加上synchronized之後

public synchronized void incrent() {
        num++;
    }
 
//或者
 
  public  void incrent() {
        synchronized(this){
            num++;
        }
    }

輸出的結果是我們想要的，synchronized關鍵字底層使用的lock，是重量級鎖，互斥鎖、悲觀鎖，jdk1.6之前的鎖，線程會放到一個隊列裡面等待著執行

6.AtomicIntger原子操作

（1）給原子加1的操作，可以使用AtomicInteger實現，與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源碼有一個value字段，使用volatile修飾，volatile底層使用lock修飾，保證多線程並發結果的正確

private volatile int value;

（2）atomicInteger.incrementAndGet()方法做的事情:先獲取到value的值，給值加1，再使用舊的值和atomicInteger進行比較，相等瞭把newValue設置進去，由於使用多線程可能值會不相等的情況，所以使用while進行循環比對，相等瞭執行完才推出

while(true) {
    int oldValue = atomicInteger.get();
    int newValue = oldValue+1;
    if(atomicInteger.compareAndSet(oldValue,newValue)){
       break;
    }
}

（3）atomicInteger.compareAndSet比對完值後才設置新值的方式即為CAS：無鎖、樂觀鎖、輕量級鎖，synchroznied存在線程阻塞、上行文切換、操作系統調度比較費時；CAS一直循環比對執行，效率要高

（4）compareAndSetInt底層使用native修飾，底層是c++代碼，實現瞭原子性問題，在匯編語言使用代碼lock cmpxchqq保證瞭原子性，是緩存行鎖

（5）ABA問題：線程一那到一個變量，線程二執行比較快，也拿到這個變量，把變量的值進行修改，再快速修改回原來的值，這樣變量的值有過一次變化，線程一再去執行compareAndSet的時候，雖然值還是之前的沒變，但是已經發生過變化瞭，出現ABA問題

（6）解決ABA問題就是給變量加版本，每次操作變量版本加1，JDK帶版本的鎖有AtomicStampedReference，這樣就算變量被其它線程修改過再回復原值，版本號也是不一致的。

7.鎖優化

（1）重量級鎖會把等待的線程放到隊列中，重量級鎖鎖定的是monitor，存在上下問切換的資源占用；輕量級鎖若是線程太多，會存在自旋，耗費cpu

（2）jdk1.6之後，鎖升級為無狀態-》偏向鎖（鎖id指定）-》輕量級鎖（自旋膨脹）-》重量級鎖（隊列存儲）

（3）創建一個對象，此時對象為無狀態，當啟動瞭一個線程時，再創建一個對象時，啟用偏向鎖，偏向鎖執行完之後不會釋放鎖；當再啟用一個線程時，有兩個線程來掙搶對象時，立馬又偏向鎖升級為輕量級鎖；當再創建一個線程的來掙搶對象鎖時，由輕量級鎖升級為重量級鎖

（4）分段CAS，底層有一個base記錄變量值，當有多個線程類訪問此變量是，base的值會分為多個cell，組成數組，每個cell對應一到多個線程的cas處理，避免瞭線程的自旋空轉，這樣還是輕量級鎖，返回數據的時候，底層調用的是所有cell數組和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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