二、并发编程的三大特性

一、原子性

1.1 什么是并发编程的原子性

JMM（Java Memory Model）。不同的硬件和不同的操作系统在内存上的操作有一定差异的。Java为了解决相同代码在不同操作系统上出现的各种问题，用JMM屏蔽掉各种硬件和操作系统带来的差异。

让Java的并发编程可以做到跨平台。

JMM规定所有变量都会存储在主内存中，在操作的时候，需要从主内存中复制一份到线程内存（CPU内存），在线程内部做计算。然后再写回主内存中（不一定！）。

原子性的定义：原子性指一个操作是不可分割的，不可中断的，一个线程在执行时，另一个线程不会影响到他。

并发编程的原子性用代码阐述：

private static int count;

public static void increment(){
    try {
        Thread.sleep(10);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    count++;
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
           increment();
        }
    });
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            increment();
        }
    });
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    System.out.println(count);
}

当前程序：多线程操作共享数据时，预期的结果，与最终的结果不符。

原子性：多线程操作临界资源，预期的结果与最终结果一致。

通过对这个程序的分析，可以查看出，++的操作，一共分为了三部，首先是线程从主内存拿到数据保存到CPU的寄存器中，然后在寄存器中进行+1操作，最终将结果写回到主内存当中。

1.2 保证并发编程的原子性

1.2.1 synchronized

因为++操作可以从指令中查看到

可以在方法上追加synchronized关键字或者采用同步代码块的形式来保证原子性

synchronized可以让避免多线程同时操作临街资源，同一时间点，只会有一个线程正在操作临界资源

1.2.2 CAS

到底什么是CAS

compare and swap也就是比较和交换，他是一条CPU的并发原语。

他在替换内存的某个位置的值时，首先查看内存中的值与预期值是否一致，如果一致，执行替换操作。这个操作是一个原子性操作。

Java中基于Unsafe的类提供了对CAS的操作的方法，JVM会帮助我们将方法实现CAS汇编指令。

但是要清楚CAS只是比较和交换，在获取原值的这个操作上，需要你自己实现。

private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            count.incrementAndGet();
        }
    });
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            count.incrementAndGet();
        }
    });
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    System.out.println(count);
}

Doug Lea在CAS的基础上帮助我们实现了一些原子类，其中就包括现在看到的AtomicInteger，还有其他很多原子类……

CAS的缺点：CAS只能保证对一个变量的操作是原子性的，无法实现对多行代码实现原子性。

CAS的问题：

• ABA问题：问题如下，可以引入版本号的方式，来解决ABA的问题。Java中提供了一个类在CAS时，针对各个版本追加版本号的操作。 AtomicStampeReference

• AtomicStampedReference在CAS时，不但会判断原值，还会比较版本信息。

• public static void main(String[] args) {
      AtomicStampedReference<String> reference = new AtomicStampedReference<>("AAA",1);
  
      String oldValue = reference.getReference();
      int oldVersion = reference.getStamp();
  
      boolean b = reference.compareAndSet(oldValue, "B", oldVersion, oldVersion + 1);
      System.out.println("修改1版本的：" + b);
  
      boolean c = reference.compareAndSet("B", "C", 1, 1 + 1);
      System.out.println("修改2版本的：" + c);
  }

• 自旋时间过长问题：

• 可以指定CAS一共循环多少次，如果超过这个次数，直接失败/或者挂起线程。（自旋锁、自适应自旋锁）

• 可以在CAS一次失败后，将这个操作暂存起来，后面需要获取结果时，将暂存的操作全部执行，再返回最后的结果。

1.2.3 Lock锁

Lock锁是在JDK1.5由Doug Lea研发的，他的性能相比synchronized在JDK1.5的时期，性能好了很多多，但是在JDK1.6对synchronized优化之后，性能相差不大，但是如果涉及并发比较多时，推荐ReentrantLock锁，性能会更好。

实现方式：

private static int count;

private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public static void increment()  {
    lock.lock();
    try {
        count++;
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }


}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            increment();
        }
    });
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            increment();
        }
    });
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    System.out.println(count);
}

ReentrantLock可以直接对比synchronized，在功能上来说，都是锁。

但是ReentrantLock的功能性相比synchronized更丰富。

ReentrantLock底层是基于AQS实现的，有一个基于CAS维护的state变量来实现锁的操作。

1.2.4 ThreadLocal

Java中的四种引用类型

Java中的使用引用类型分别是强，软，弱，虚。

User user = new User（）；

在 Java 中最常见的就是强引用，把一个对象赋给一个引用变量，这个引用变量就是一个强引用。当一个对象被强引用变量引用时，它始终处于可达状态，它是不可能被垃圾回收机制回收的，即使该对象以后永远都不会被用到 JVM 也不会回收。因此强引用是造成 Java 内存泄漏的主要原因之一。

SoftReference

其次是软引用，对于只有软引用的对象来说，当系统内存足够时它不会被回收，当系统内存空间不足时它会被回收。软引用通常用在对内存敏感的程序中，作为缓存使用。

然后是弱引用，它比软引用的生存期更短，对于只有弱引用的对象来说，只要垃圾回收机制一运行，不管 JVM 的内存空间是否足够，总会回收该对象占用的内存。可以解决内存泄漏问题，ThreadLocal就是基于弱引用解决内存泄漏的问题。

最后是虚引用，它不能单独使用，必须和引用队列联合使用。虚引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态。不过在开发中，我们用的更多的还是强引用。

ThreadLocal保证原子性的方式，是不让多线程去操作临界资源，让每个线程去操作属于自己的数据

代码实现

static ThreadLocal tl1 = new ThreadLocal();
static ThreadLocal tl2 = new ThreadLocal();

public static void main(String[] args) {
    tl1.set("123");
    tl2.set("456");
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        System.out.println("t1:" + tl1.get());
        System.out.println("t1:" + tl2.get());
    });
    t1.start();

    System.out.println("main:" + tl1.get());
    System.out.println("main:" + tl2.get());
}

ThreadLocal实现原理：

• 每个Thread中都存储着一个成员变量，ThreadLocalMap

• ThreadLocal本身不存储数据，像是一个工具类，基于ThreadLocal去操作ThreadLocalMap

• ThreadLocalMap本身就是基于Entry[]实现的，因为一个线程可以绑定多个ThreadLocal，这样一来，可能需要存储多个数据，所以采用Entry[]的形式实现。

• 每一个现有都自己独立的ThreadLocalMap，再基于ThreadLocal对象本身作为key，对value进行存取

• ThreadLocalMap的key是一个弱引用，弱引用的特点是，即便有弱引用，在GC时，也必须被回收。这里是为了在ThreadLocal对象失去引用后，如果key的引用是强引用，会导致ThreadLocal对象无法被回收

ThreadLocal内存泄漏问题：

• 如果ThreadLocal引用丢失，key因为弱引用会被GC回收掉，如果同时线程还没有被回收，就会导致内存泄漏，内存中的value无法被回收，同时也无法被获取到。

• 只需要在使用完毕ThreadLocal对象之后，及时的调用remove方法，移除Entry即可

二、可见性

2.1 什么是可见性

可见性问题是基于CPU位置出现的，CPU处理速度非常快，相对CPU来说，去主内存获取数据这个事情太慢了，CPU就提供了L1，L2，L3的三级缓存，每次去主内存拿完数据后，就会存储到CPU的三级缓存，每次去三级缓存拿数据，效率肯定会提升。

这就带来了问题，现在CPU都是多核，每个线程的工作内存（CPU三级缓存）都是独立的，会告知每个线程中做修改时，只改自己的工作内存，没有及时的同步到主内存，导致数据不一致问题。

可见性问题的代码逻辑

private static boolean flag = true;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while (flag) {
            // ....
        }
        System.out.println("t1线程结束");
    });

    t1.start();
    Thread.sleep(10);
    flag = false;
    System.out.println("主线程将flag改为false");
}

2.2 解决可见性的方式

2.2.1 volatile

volatile是一个关键字，用来修饰成员变量。

如果属性被volatile修饰，相当于会告诉CPU，对当前属性的操作，不允许使用CPU的缓存，必须去和主内存操作

volatile的内存语义：

• volatile属性被写：当写一个volatile变量，JMM会将当前线程对应的CPU缓存及时的刷新到主内存中

• volatile属性被读：当读一个volatile变量，JMM会将对应的CPU缓存中的内存设置为无效，必须去主内存中重新读取共享变量

其实加了volatile就是告知CPU，对当前属性的读写操作，不允许使用CPU缓存，加了volatile修饰的属性，会在转为汇编之后后，追加一个lock的前缀，CPU执行这个指令时，如果带有lock前缀会做两个事情：

• 将当前处理器缓存行的数据写回到主内存

• 这个写回的数据，在其他的CPU内核的缓存中，直接无效。

总结：volatile就是让CPU每次操作这个数据时，必须立即同步到主内存，以及从主内存读取数据。

private volatile static boolean flag = true;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while (flag) {
            // ....
        }
        System.out.println("t1线程结束");
    });

    t1.start();
    Thread.sleep(10);
    flag = false;
    System.out.println("主线程将flag改为false");
}

2.2.2 synchronized

synchronized也是可以解决可见性问题的，synchronized的内存语义。

如果涉及到了synchronized的同步代码块或者是同步方法，获取锁资源之后，将内部涉及到的变量从CPU缓存中移除，必须去主内存中重新拿数据，而且在释放锁之后，会立即将CPU缓存中的数据同步到主内存。

private static boolean flag = true;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while (flag) {
            synchronized (MiTest.class){
                //...
            }
            System.out.println(111);
        }
        System.out.println("t1线程结束");

    });

    t1.start();
    Thread.sleep(10);
    flag = false;
    System.out.println("主线程将flag改为false");
}

2.2.3 Lock

Lock锁保证可见性的方式和synchronized完全不同，synchronized基于他的内存语义，在获取锁和释放锁时，对CPU缓存做一个同步到主内存的操作。

Lock锁是基于volatile实现的。Lock锁内部再进行加锁和释放锁时，会对一个由volatile修饰的state属性进行加减操作。

如果对volatile修饰的属性进行写操作，CPU会执行带有lock前缀的指令，CPU会将修改的数据，从CPU缓存立即同步到主内存，同时也会将其他的属性也立即同步到主内存中。还会将其他CPU缓存行中的这个数据设置为无效，必须重新从主内存中拉取。

private static boolean flag = true;
private static Lock lock = new ReentrantLock();

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while (flag) {
            lock.lock();
            try{
                //...
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }
        System.out.println("t1线程结束");

    });

    t1.start();
    Thread.sleep(10);
    flag = false;
    System.out.println("主线程将flag改为false");
}

2.2.4 final

final修饰的属性，在运行期间是不允许修改的，这样一来，就间接的保证了可见性，所有多线程读取final属性，值肯定是一样。

final并不是说每次取数据从主内存读取，他没有这个必要，而且final和volatile是不允许同时修饰一个属性的

final修饰的内容已经不允许再次被写了，而volatile是保证每次读写数据去主内存读取，并且volatile会影响一定的性能，就不需要同时修饰。