（一）Java并发学习笔记

一、课程导学

二、基本概念

并发：同时拥有两个或者多个线程，如果程序在单核处理器上运行，多个线程将交替地换入或者换出内存，这些线程是同时“存在”的，每个线程都处于执行过程中的某个状态，高速切换感觉同时执行。如果运行多核处理器上，此时，程序中的每个线程将分配到一个处理器核上，因此可以真正的同时运行。

高并发：高并发（High Cuncurrency）是互联网分布式系统架构设计中必须考虑的因素之一，它通常是指，通过设计保证系统能够 同时并发处理 很多请求。

其实当我们讨论并发时主要关注的是以下几点：

• 多线程操作相同的资源
• 保证线程安全
• 合理分配和使用资源

而在讨论高并发是关注的是以下几点：

• 服务器能同时处理很多个请求

• 提高程序性能

  比如在12306抢票，淘宝双11等都需要考虑高并发

三、并发编程基础

在单核时代处理器做出的乱序优化不会导致执行结果远离预期目标，但在多核环境下却并非如此。在多核时代，由多核cpu同时执行指令，同时还引入的l1、l2等缓存机制，每个核都有自己的缓存，就导致了逻辑顺序上后写入的数据未必真的最后写入。如果我们不做任何防护措施，就会出现处理器得出的结果和我们逻辑得出的结果大不相同。

比如：我们在一个cpu核心上执行写入操作，并在最后写入一个标记来表示该操作已经写入好了。然后从另外一个核上通过判断这个标记来确定所需要的数据是否已经就绪，这种做法就存在一定风险：标记位先被写入但数据操作并未完成。导致另外一个核使用了错误数据。

四、Java内存模型（Java Memory Model，JMM）

内存模型可以理解为在特定的操作协议下，对特定的内存或者高速缓存进行读写访问的过程抽象，不同架构下的物理机拥有不一样的内存模型，Java虚拟机也有自己的内存模型，即Java内存模型（Java Memory Model, JMM）。

在C/C++语言中直接使用物理硬件和操作系统内存模型，导致不同平台下并发访问出错。而JMM的出现，能够屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，实现平台一致性，是的Java程序能够“一次编写，到处运行”。

• 堆内存（Heap）: 存放实例域, 静态域, 数组元素. 在线程间共享.
• 栈内存（Stack）: 存放局部变量, 方法定义参数和异常处理器参数.

  

线程A和线程B要进行通信，必须先将数据刷新到主内存，线程B再从主内存读取线程A更新过的变量。

模拟场景：

比如多个线程同时修改一个变量：线程A 先从主内存中获取共享变量（a=2），然后在自己本地内存中计算（a+2），然后写入到主内存。

但此时B也从主内存获取（a=2），在本地内存改变（a+2）.写入到主内存。

在计算过程中两个线程间的数据是不可见的，此时就会出现结果不正确情况。

Java内存模型-同步操作与规则

由上面的交互关系可知，关于主内存与工作内存之间的具体交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步到主内存之间的实现细节，Java内存模型定义了以下八种操作来完成：

lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态。

unlock（解锁）：作用于主内存变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。

read（读取）：作用于主内存变量，把一个变量值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用

load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。

use（使用）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。

assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。

store（存储）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作。

write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。

Java内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时，必须满足如下规则：

• 不允许read和load、store和write操作之一单独出现
• 不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作，即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。
• 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从工作内存同步回主内存中。
• 一个新的变量只能在主内存中诞生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量。即就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
• 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，lock和unlock必须成对出现
• 如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值
• 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作；也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。

• 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步到主内存中（执行store和write操作）。

  这8种内存访问操作很繁琐，后文会使用一个等效判断原则，即先行发生（happens-before）原则来确定一个内存访问在并发环境下是否安全。

五、并发的优势和风险

六、线程安全性

线程安全性主要体现在三个方面：

1. 原子性：

原子是世界上的最小单位，具有不可分割性。比如 a=0；（a非long和double类型）这个操作是不可分割的，那么我们说这个操作时原子操作。再比如：a++；这个操作实际是a = a + 1；是可分割的，所以他不是一个原子操作。非原子操作都会存在线程安全问题，需要我们使用同步技术（sychronized）来让它变成一个原子操作。一个操作是原子操作，那么我们称它具有原子性。java的concurrent包下提供了一些原子类，我们可以通过阅读API来了解这些原子类的用法。比如：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。

Atomicxxx底层工作原理：

借助于Unsafe.compareAndSwapInt: CAS实现，

每次执行计算之前都会拿当前工作内存中的值和主内存的值比较，如果不相同就会从新从主内存中获取最新值赋值给当前对象，直到相同执行对应操作。

sun.misc.Unsafe源码：
    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }
           

AtomicLong和AtomicAddr

AtomicLong的原理是依靠底层的cas来保障原子性的更新数据，在要添加或者减少的时候，会使用死循环不断地cas到特定的值，从而达到更新数据的目的。在竞争不激烈时修改成功的概率很高，否则修改失败的概率就很高，在大量修改失败的情况下，这些原子操作就会进行大量的失败重尝试，性能就会受到影响。

总结:

• LongAdder在AtomicLong的基础上将单点的更新压力分散到各个节点，在低并发的时候通过对base的直接更新可以很好的保障和AtomicLong的性能基本保持一致，而在高并发的时候通过分散提高了性能。
• 缺点是LongAdder在统计的时候如果有并发更新，可能导致统计的数据有误差。
• 实际使用中在处理高并发计数时，推荐使用LongAddr，但如果遇到类似于序列号生成这种需要全局唯一的数据情况就需要使用AtomicLong.

AtomicReference

AtomicReference和AtomicInteger非常类似，不同之处就在于AtomicInteger是对整数的封装，而AtomicReference则对应普通的对象引用。也就是它可以保证你在修改对象引用时的线程安全性。在介绍AtomicReference的同时，我希望同时提出一个有关原子操作的逻辑上的不足。

之前我们说过，线程判断被修改对象是否可以正确写入的条件是对象的当前值和期望是否一致。这个逻辑从一般意义上来说是正确的。但有可能出现一个小小的例外，就是当你获得对象当前数据后，在准备修改为新值前，对象的值被其他线程连续修改了2次，而经过这2次修改后，对象的值又恢复为旧值。这样，当前线程就无法正确判断这个对象究竟是否被修改过。如图4.2所示，显示了这种情况。(ABA问题)

图4.2 对象值被反复修改回原数据

一般来说，发生这种情况的概率很小。而且即使发生了，可能也不是什么大问题。比如，我们只是简单得要做一个数值加法，即使在我取得期望值后，这个数字被不断的修改，只要它最终改回了我的期望值，我的加法计算就不会出错。也就是说，当你修改的对象没有过程的状态信息，所有的信息都只保存于对象的数值本身。

但是，在现实中，还可能存在另外一种场景。就是我们是否能修改对象的值，不仅取决于当前值，还和对象的过程变化有关，这时，AtomicReference就无能为力了。

打一个比方，如果有一家蛋糕店，为了挽留客户，绝对为贵宾卡里余额小于20元的客户一次性赠送20元，刺激消费者充值和消费。但条件是，每一位客户只能被赠送一次。

现在，我们就来模拟这个场景，为了演示AtomicReference，我在这里使用AtomicReference实现这个功能。首先，我们模拟用户账户余额。

static AtomicReference<Integer> money=newAtomicReference<Integer>();
// 设置账户初始值小于20，显然这是一个需要被充值的账户
money.set(19);
           

接着，我们需要若干个后台线程，它们不断扫描数据，并为满足条件的客户充值。

01 //模拟多个线程同时更新后台数据库，为用户充值
02 for(int i = 0 ; i < 3 ; i++) {            
03     new Thread(){
04         publicvoid run() {
05            while(true){
06                while(true){
07                    Integer m=money.get();
08                    if(m<20){
09                        if(money.compareAndSet(m, m+20)){
10                  System.out.println("余额小于20元，充值成功，余额:"+money.get()+"元");
11                             break;
12                        }
13                    }else{
14                        //System.out.println("余额大于20元，无需充值");
15                         break ;
16                    }
17                 }
18             }
19         }
20     }.start();
21 }
           

上述代码第8行，判断用户余额并给予赠予金额。如果已经被其他用户处理，那么当前线程就会失败。因此，可以确保用户只会被充值一次。

此时，如果很不幸的，用户正好正在进行消费，就在赠予金额到账的同时，他进行了一次消费，使得总金额又小于20元，并且正好累计消费了20元。使得消费、赠予后的金额等于消费前、赠予前的金额。这时，后台的赠予进程就会误以为这个账户还没有赠予，所以，存在被多次赠予的可能。下面，模拟了这个消费线程：

01 //用户消费线程，模拟消费行为
02 new Thread() {
03     public voidrun() {
04         for(inti=0;i<100;i++){
05            while(true){
06                Integer m=money.get();
07                 if(m>10){
08                    System.out.println("大于10元");
09                    if(money.compareAndSet(m, m-10)){
10                        System.out.println("成功消费10元，余额:"+money.get());
11                        break;
12                    }
13                }else{
14                    System.out.println("没有足够的金额");
15                    break;
16                 }
17             }
18             try{Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {}
19         }
20     }
21 }.start();
           

上述代码中，消费者只要贵宾卡里的钱大于10元，就会立即进行一次10元的消费。执行上述程序，得到的输出如下：

余额小于20元，充值成功，余额:39元

大于10元

成功消费10元，余额:29

成功消费10元，余额:19

成功消费10元，余额:39

从这一段输出中，可以看到，这个账户被先后反复多次充值。其原因正是因为账户余额被反复修改，修改后的值等于原有的数值。使得CAS操作无法正确判断当前数据状态。

虽然说这种情况出现的概率不大，但是依然是有可能的出现的。因此，当业务上确实可能出现这种情况时，我们也必须多加防范。体贴的JDK也已经为我们考虑到了这种情况，使用AtomicStampedReference就可以很好的解决这个（ABA）问题。

ABA问题：简单讲就是多线程环境，2次读写中一个线程修改A->B，然后又B->A，另一个线程看到的值未改变，又继续修改成自己的期望值。当然我们如果不关心过程，只关心结果，那么这个就是无所谓的ABA问题。

• 为了解决ABA问题，伟大的java为我们提供了AtomicMarkableReference和AtomicStampedReference类，为我们解决了问题
• AtomicStampedReference是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，在这里我借鉴一下别人举得例子

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。这就是AtomicStampedReference的解决方案。

Synchronized关键字

在Java中，synchronized关键字是用来控制线程同步的，就是在多线程的环境下，控制synchronized代码段不被多个线程同时执行。

1. 修饰方法

Synchronized修饰一个方法很简单，就是在方法的前面加synchronized，synchronized修饰方法和修饰一个代码块类似，只是作用范围不一样，修饰代码块是大括号括起来的范围，而修饰方法范围是整个函数。

public synchronized void method()
{
   // todo
}
           

写法一修饰的是一个方法，锁定了整个方法时的内容。

synchronized关键字不能继承。

虽然可以使用synchronized来定义方法，但synchronized并不属于方法定义的一部分，因此，synchronized关键字不能被继承。如果在父类中的某个方法使用了synchronized关键字，而在子类中覆盖了这个方法，在子类中的这个方法默认情况下并不是同步的，而必须显式地在子类的这个方法中加上synchronized关键字才可以。当然，还可以在子类方法中调用父类中相应的方法，这样虽然子类中的方法不是同步的，但子类调用了父类的同步方法，因此，子类的方法也就相当于同步了。这两种方式的例子代码如下：

在子类方法中加上synchronized关键字

class Parent {
   public synchronized void method() { }
}
class Child extends Parent {
   public synchronized void method() { }
}
           

在子类方法中调用父类的同步方法

class Parent {
   public synchronized void method() {   }
}
class Child extends Parent {
   public void method() { super.method();   }
} 
           

• 在定义接口方法时不能使用synchronized关键字。
• 构造方法不能使用synchronized关键字，但可以使用synchronized代码块来进行同步。

2. 修饰代码块

1） 一个线程访问一个对象中的synchronized(this)同步代码块时，其他试图访问该对象的线程将被阻塞

注意下面两个程序的区别

class SyncThread implements Runnable {
       private static int count;
 
       public SyncThread() {
          count = 0;
       }
 
       public  void run() {
          synchronized(this) {
             for (int i = 0; i < 5; i++) {
                try {
                   System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
                   Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
                }
             }
          }
       }
 
       public int getCount() {
          return count;
       }
}
 
public class Demo00 {
    public static void main(String args[]){
//test01
//      SyncThread s1 = new SyncThread();
//      SyncThread s2 = new SyncThread();
//      Thread t1 = new Thread(s1);
//      Thread t2 = new Thread(s2);
//test02        
        SyncThread s = new SyncThread();
        Thread t1 = new Thread(s);
        Thread t2 = new Thread(s);
        
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
           

test01的运行结果

test02的运行结果

当两个并发线程(thread1和thread2)访问同一个对象(syncThread)中的synchronized代码块时，在同一时刻只能有一个线程得到执行，另一个线程受阻塞，必须等待当前线程执行完这个代码块以后才能执行该代码块。Thread1和thread2是互斥的，因为在执行synchronized代码块时会锁定当前的对象，只有执行完该代码块才能释放该对象锁，下一个线程才能执行并锁定该对象

为什么上面的例子中thread1和thread2同时在执行。这是因为synchronized只锁定对象，每个对象只有一个锁（lock）与之相关联。

2） 当一个线程访问对象的一个synchronized(this)同步代码块时，另一个线程仍然可以访问该对象中的非synchronized(this)同步代码块。

例：

class Counter implements Runnable{
   private int count;
 
   public Counter() {
      count = 0;
   }
 
   public void countAdd() {
      synchronized(this) {
         for (int i = 0; i < 5; i ++) {
            try {
               System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
               Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
               e.printStackTrace();
            }
         }
      }
   }
 
   //非synchronized代码块，未对count进行读写操作，所以可以不用synchronized
   public void printCount() {
      for (int i = 0; i < 5; i ++) {
         try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " count:" + count);
            Thread.sleep(100);
         } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
         }
      }
   }
 
   public void run() {
      String threadName = Thread.currentThread().getName();
      if (threadName.equals("A")) {
         countAdd();
      } else if (threadName.equals("B")) {
         printCount();
      }
   }
}
 
public class Demo00{
    public static void main(String args[]){
        Counter counter = new Counter();
        Thread thread1 = new Thread(counter, "A");
        Thread thread2 = new Thread(counter, "B");
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}
           

运行结果

可以看见B线程的调用是非synchronized,并不影响A线程对synchronized部分的调用。从上面的结果中可以看出一个线程访问一个对象的synchronized代码块时，别的线程可以访问该对象的非synchronized代码块而不受阻塞。

3）指定要给某个对象加锁

/**
 * 银行账户类
 */
class Account {
   String name;
   float amount;
 
   public Account(String name, float amount) {
      this.name = name;
      this.amount = amount;
   }
   //存钱
   public  void deposit(float amt) {
      amount += amt;
      try {
         Thread.sleep(100);
      } catch (InterruptedException e) {
         e.printStackTrace();
      }
   }
   //取钱
   public  void withdraw(float amt) {
      amount -= amt;
      try {
         Thread.sleep(100);
      } catch (InterruptedException e) {
         e.printStackTrace();
      }
   }
 
   public float getBalance() {
      return amount;
   }
}
 
/**
 * 账户操作类
 */
class AccountOperator implements Runnable{
   private Account account;
   public AccountOperator(Account account) {
      this.account = account;
   }
 
   public void run() {
      synchronized (account) {
         account.deposit(500);
         account.withdraw(500);
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + account.getBalance());
      }
   }
}
 
public class Demo00{
    
    //public static final Object signal = new Object(); // 线程间通信变量
    //将account改为Demo00.signal也能实现线程同步
    public static void main(String args[]){
        Account account = new Account("zhang san", 10000.0f);
        AccountOperator accountOperator = new AccountOperator(account);
 
        final int THREAD_NUM = 5;
        Thread threads[] = new Thread[THREAD_NUM];
        for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i ++) {
           threads[i] = new Thread(accountOperator, "Thread" + i);
           threads[i].start();
        }
    }
}
           

在AccountOperator 类中的run方法里，我们用synchronized 给account对象加了锁。这时，当一个线程访问account对象时，其他试图访问account对象的线程将会阻塞，直到该线程访问account对象结束。也就是说谁拿到那个锁谁就可以运行它所控制的那段代码。

当有一个明确的对象作为锁时，就可以用类似下面这样的方式写程序。

public void method3(SomeObject obj)
{
   //obj 锁定的对象
   synchronized(obj)
   {
      // todo
   }
}
           

当没有明确的对象作为锁，只是想让一段代码同步时，可以创建一个特殊的对象来充当锁：

class Test implements Runnable
{
   private byte[] lock = new byte[0];  // 特殊的instance变量
   public void method()
   {
      synchronized(lock) {
         // todo 同步代码块
      }
   }
 
   public void run() {
 
   }
}
           

3. 修饰一个静态的方法

Synchronized也可修饰一个静态方法，用法如下：

public synchronized static void method() {
   // todo
}
           

静态方法是属于类的而不属于对象的。同样的，synchronized修饰的静态方法锁定的是这个类的所有对象。

/**
 * 同步线程
 */
class SyncThread implements Runnable {
   private static int count;
 
   public SyncThread() {
      count = 0;
   }
 
   public synchronized static void method() {
      for (int i = 0; i < 5; i ++) {
         try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
            Thread.sleep(100);
         } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
         }
      }
   }
 
   public synchronized void run() {
      method();
   }
}
 
public class Demo00{
    
    public static void main(String args[]){
        SyncThread syncThread1 = new SyncThread();
        SyncThread syncThread2 = new SyncThread();
        Thread thread1 = new Thread(syncThread1, "SyncThread1");
        Thread thread2 = new Thread(syncThread2, "SyncThread2");
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

           

syncThread1和syncThread2是SyncThread的两个对象，但在thread1和thread2并发执行时却保持了线程同步。这是因为run中调用了静态方法method，而静态方法是属于类的，所以syncThread1和syncThread2相当于用了同一把锁。

4. 修饰一个类

Synchronized还可作用于一个类，用法如下：

class ClassName {
   public void method() {
      synchronized(ClassName.class) {
         // todo
      }
   }
}
           

/**
 * 同步线程
 */
class SyncThread implements Runnable {
   private static int count;
 
   public SyncThread() {
      count = 0;
   }
 
   public static void method() {
      synchronized(SyncThread.class) {
         for (int i = 0; i < 5; i ++) {
            try {
               System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
               Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
               e.printStackTrace();
            }
         }
      }
   }
 
   public synchronized void run() {
      method();
   }
}
           

本例的的给class加锁和上例的给静态方法加锁是一样的，所有对象公用一把锁

总结

A. 无论synchronized关键字加在方法上还是对象上，如果它作用的对象是非静态的，则它取得的锁是对象；如果synchronized作用的对象是一个静态方法或一个类，则它取得的锁是对类，该类所有的对象同一把锁。

B. 每个对象只有一个锁（lock）与之相关联，谁拿到这个锁谁就可以运行它所控制的那段代码。

C. 实现同步是要很大的系统开销作为代价的，甚至可能造成死锁，所以尽量避免无谓的同步控制。

2. 线程可见性

• 可见性-synchronized

• 可见性-volatile

内存屏障（ memory barrier ） 是一个CPU指令。基本上，它是这样一条指令： a) 确保一些特定操作执行的顺序； b) 影响一些数据的可见性(可能是某些指令执行后的结果)。编译器和CPU可以在保证输出结果一样的情况下对指令重排序，使性能得到优化。插入一个内存屏障， 相当于告诉CPU和编译器先于这个命令的必须先执行，后于这个命令的必须后执行。内存屏障另一个作用是强制更新一次不同CPU的缓存。例如，一个写屏障会 把这个屏障前写入的数据刷新到缓存，这样任何试图读取该数据的线程将得到最新值，而不用考虑到底是被哪个cpu核心或者哪颗CPU执行的。

volatile使用场景：

volatile很适合用作状态标示量：

• 有序性

happend-before原则

1.程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作；

2.锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作；

3.volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作；

4.传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C；

5.线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作；

6.线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生；

7.线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行；

8.对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始；