juc并发编程

旧城等待， 2024-03-26 19:38 88阅读 0赞

## 1.并发和并行的区别： ##

并发实际就是同一时间只能处理同一个任务，时间片轮转，只要我们每次处理分配的时间足够短，在宏观看来就是是多个任务在同时进行。

并行是突破了同一时间只能处理同一任务的限制，我们同一时间可以做多个任务。比如进行排序操作，就可以用到并行操作，等待所有子任务完成最终将结果汇总即可。包括MapReduce也是这种。

## 2.各种锁介绍 ##

### 2.自旋锁： ###

在没获得锁的线程中不会将等待状态的线程挂起，而是会不断的循环的方式，不间断的检测是否可以获取锁。由于单个线程的占用时间非常短暂，所以说循环次数不会太多，很快就可以获取锁，这就是自旋锁。当然仅仅在时间短的时候自旋锁的表现是比较好的，如果时间长，那么将会自动切换到重量级锁机制。自旋锁的默认等待时间为10次。超过则切换。

1.  如果平均负载小于CPUs则一直自旋
2.  如果有超过(CPUs/2)个线程正在自旋，则后来线程直接阻塞
3.  如果正在自旋的线程发现Owner发生了变化则延迟自旋时间（自旋计数）或进入阻塞
4.  如果CPU处于节电模式则停止自旋
5.  自旋时间的最坏情况是CPU的存储延迟（CPU A存储了一个数据，到CPU B得知这个数据直接的时间差）
6.  自旋时会适当放弃线程优先级之间的差异

自旋锁在jdk1.6之后发生了改进，不再采用固定时长的锁等待机制，而是采用了自适应的自旋次数，自选次数取决于上一次自旋的情况。如果在同一个锁对象上，上一次自旋等待刚刚获得成功，并且持有锁的线程正在运行，那么这次自旋也是有可能成功的，所以会允许自旋更多次。当然，如果自旋多次都失败了，那么久可能不会再采取自旋策略。

### 3.轻量锁： ###

轻量锁的目的就是在无竞争的情况下，减少重量锁产生的消耗（实际上并不是代替了重量锁，类似于赌同一时间只有一个线程在占用资源）。他不像重量锁那样，需要向操作系统申请互斥量，她的运作机制如下：

在即将开始执行的代码块中，会先检查对象的mark word，查看对象是否被其他线程占用，如果没有其他线程占用，那么就会在当前线程中所处的栈帧中建立一个名为锁的记录的空间（lock record），用于复制并存储对象目前的Mark word信息，接着虚拟机将使用CAS操作将对象mark word 更新为轻量级锁的状态（具体为数据结构变为指向lock record的指针，指向的是当前栈帧）

> CAS：一种无锁算法，他不会为对象加锁，具体的方法为他会放任多个线程一起去竞争修改数据，但是在修改数据之前，会判断当前数据的值是否为预期的数值，如果是就进行正常的替换，如果不是就替换失败。
> 
> CAS举例：如果两个线程都想修改变量i a线程来的时候查看发现值为默认的10，现在另一个线程想要将其修改为20，如果都是使用的cas算法，那么并不会加锁访问i，而是直接尝试修改i的值，如果i的值是10则直接修改，不是则说明有其他的线程正在操作，不能修改。

如果CAS操作失败了的话，那么说明可能这时有线程已经进入这个同步代码块了，这时虚拟机会再次检查对象的Mark Word，是否指向当前线程的栈帧，如果是，说明不是其他线程，而是当前线程已经有了这个对象的锁，直接放心大胆进同步代码块即可。如果不是，那确实是被其他线程占用了。

这时，轻量级锁一开始的想法就是错的（这时有对象在竞争资源，已经赌输了），所以说只能将锁膨胀为重量级锁，按照重量级锁的操作执行（注意锁的膨胀是不可逆的）

![image-20220302210830272][]

所以，轻量级锁 -> 失败 -> 自适应自旋锁 -> 失败 -> 重量级锁

解锁过程同样采用CAS算法，如果对象的MarkWord仍然指向线程的锁记录，那么就用CAS操作把对象的MarkWord和复制到栈帧中的Displaced Mark Word进行交换。如果替换失败，说明其他线程尝试过获取该锁，在释放锁的同时，需要唤醒被挂起的线程。

### 4.偏向锁 ###

偏向锁是一种更加轻量级的锁，干脆将整个的同步都消除掉，不再进行CAS操作了，偏向锁实际上就是专门为单个线程而生的，当某个线程第一次获得锁的时候，如果接下来其他线程来抢，那么偏向锁会根据当前的状态，决定是否回复到未锁定或者膨胀为轻量级锁。

所以，最终的锁等级为：未锁定 < 偏向锁 < 轻量级锁 < 重量级锁

值得注意的是，如果对象通过调用hashCode()方法计算过对象的一致性哈希值，那么它是不支持偏向锁的，会直接进入到轻量级锁状态，因为Hash是需要被保存的，而偏向锁的Mark Word数据结构，无法保存Hash值；如果对象已经是偏向锁状态，再去调用hashCode()方法，那么会直接将锁升级为重量级锁，并将哈希值存放在monitor（有预留位置保存）中。  
![image-20220302214647735][]

## 3.JMM内存管理 ##

为了缓存一致性问题，需要各个处理器在访问缓存时都遵循一些共同的协议。在读写时要根据协议来进行操作，这类协议有MSI，MESI.

![image-20220303114228749][]

**JMM内存管理规定：**

1.  所有的变量全部存储在主存上（指的是会出现竞争的变量，包括成员变量，静态变量，而局部变量这种属于线程私有的变量不包括在其中）
2.  每条线程中都存着自己自己的工作内存，类比cpu 的高速缓存，线程对变量的所有操作，必须在自己的工作内存中，不能直接操作主内存中的变量。
3.  不同线程之间内存是隔离的。如果需要在线程之间传递内容只能通过主内存去完成，无法直接访问对方的工作内存。

也就是说，在每一条线程如果想操作主存中的数据，需要将主存中的数据复制到线程的工作内存中，然后对工作内存中的数据进行操作，操作完成后，也需要从工作副本中将结果拷贝到主存中，具体的操作就是save和load操作。

这个内存模型，结合之前JVM所讲的内容，具体是怎么实现的呢？

*  主内存：对应堆中存放对象的实例的部分。
 *  工作内存：对应线程的虚拟机栈的部分区域，虚拟机可能会对这部分内存进行优化，将其放在CPU的寄存器或是高速缓存中。比如在访问数组时，由于数组是一段连续的内存空间，所以可以将一部分连续空间放入到CPU高速缓存中，那么之后如果我们顺序读取这个数组，那么大概率会直接缓存命中。

前面我们提到，在CPU中可能会遇到缓存不一致的问题，而Java中，也会遇到，比如下面这种情况：

public class Main {
        private static int i = 0;
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 100000; j++) i++;
                System.out.println("线程1结束");
            }).start();
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 100000; j++) i++;
                System.out.println("线程2结束");
            }).start();
            //等上面两个线程结束
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(i);
        }
    }

可以看到这里是两个线程同时对变量`i`各自进行100000次自增操作，但是实际得到的结果并不是我们所期望的那样。

那么为什么会这样呢？在之前学习了JVM之后，相信各位应该已经知道，自增操作实际上并不是由一条指令完成的（注意一定不要理解为一行代码就是一个指令完成的）：

![image-20220303143131899][]

包括变量`i`的获取、修改、保存，都是被拆分为一个一个的操作完成的，那么这个时候就有可能出现在修改完保存之前，另一条线程也保存了，但是当前线程是毫不知情的。

![image-20220303144344450][]

## 4.重排序 ##

在编译或执行时，为了优化程序的执行效率，编译器或处理器常常会对指令进行重排序，有以下情况：

1.  编译器重排序：Java编译器通过对Java代码语义的理解，根据优化规则对代码指令进行重排序。
2.  机器指令级别的重排序：现代处理器很高级，能够自主判断和变更机器指令的执行顺序。

指令重排序能够在不改变结果（单线程）的情况下，优化程序的运行效率，比如：

public static void main(String[] args) {
        int a = 10;
        int b = 20;
        System.out.println(a + b);
    }

我们其实可以交换第一行和第二行：

public static void main(String[] args) {
        int b = 10;
        int a = 20;
        System.out.println(a + b);
    }

虽然单线程下指令重排确实可以起到一定程度的优化作用，但是在多线程下，似乎会导致一些问题：

public class Main {
        private static int a = 0;
        private static int b = 0;
        public static void main(String[] args) {
            new Thread(() -> {
                if(b == 1) {
                    if(a == 0) {
                        System.out.println("A");
                    }else {
                        System.out.println("B");
                    }   
                }
            }).start();
            new Thread(() -> {
                a = 1;
                b = 1;
            }).start();
        }
    }

上面这段代码，在正常情况下，按照我们的正常思维，是不可能输出A的，因为只要b等于1，那么a肯定也是1才对，因为a是在b之前完成的赋值。但是，如果进行了重排序，那么就有可能，a和b的赋值发生交换，b先被赋值为1，而恰巧这个时候，线程1开始判定b是不是1了，这时a还没来得及被赋值为1，可能线程1就已经走到打印那里去了，所以，是有可能输出A的。

## 5.volatile关键字（可见性，禁止重排，不保证原子性） ##

首先讲三个性质：

*  原子性：其实之前讲过很多次了，就是要做什么事情要么做完，要么就不做，不存在做一半的情况。
 *  可见性：指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。
 *  有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

我们之前说了，如果多线程访问同一个变量，那么这个变量会被线程拷贝到自己的工作内存中进行操作，而不是直接对主内存中的变量本体进行操作，下面这个操作看起来是一个有限循环，但是是无限的：

public class Main {
        private static int a = 0;
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            new Thread(() -> {
                while (a == 0);
                System.out.println("线程结束！");
            }).start();
    
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println("正在修改a的值...");
            a = 1;   //很明显，按照我们的逻辑来说，a的值被修改那么另一个线程将不再循环
        }
    }

实际上这就是我们之前说的，虽然我们主线程中修改了a的值，但是另一个线程并不知道a的值发生了改变，所以循环中依然是使用旧值在进行判断，因此，普通变量是不具有可见性的。

要解决这种问题，我们第一个想到的肯定是加锁，同一时间只能有一个线程使用，这样总行了吧，确实，这样的话肯定是可以解决问题的：

public class Main {
        private static int a = 0;
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            new Thread(() -> {
                while (a == 0) {
                    synchronized (Main.class){}
                }
                System.out.println("线程结束！");
            }).start();
    
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println("正在修改a的值...");
            synchronized (Main.class){
                a = 1;
            }
        }
    }

但是，除了硬加一把锁的方案，我们也可以使用volatile关键字来解决，此关键字的第一个作用，就是保证变量的可见性。当写一个volatile变量时，JMM会把该线程本地内存中的变量强制刷新到主内存中去，并且这个写会操作会导致其他线程中的volatile变量缓存无效，这样，另一个线程修改了这个变时，当前线程会立即得知，并将工作内存中的变量更新为最新的版本。

public class Main {
        //添加volatile关键字
        private static volatile int a = 0;
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            new Thread(() -> {
                while (a == 0);
                System.out.println("线程结束！");
            }).start();
    
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println("正在修改a的值...");
            a = 1;
        }
    }

不对啊，volatile不是能在改变变量的时候其他线程可见吗，那为什么还是不能保证原子性呢？还是那句话，自增操作是被瓜分为了多个步骤完成的，虽然保证了可见性，但是只要手速够快，依然会出现两个线程同时写同一个值的问题（比如线程1刚刚将a的值更新为100，这时线程2可能也已经执行到更新a的值这条指令了，已经刹不住车了，所以依然会将a的值再更新为一次100）

那要是真的遇到这种情况，那么我们不可能都去写个锁吧？后面，我们会介绍原子类来专门解决这种问题。

最后一个功能就是volatile会禁止指令重排，也就是说，如果我们操作的是一个volatile变量，它将不会出现重排序的情况，也就解决了我们最上面的问题。那么它是怎么解决的重排序问题呢？若用volatile修饰共享变量，在编译时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序

## 6.happens-before原则 ##

JMM提出了`happens-before`（先行发生）原则，定义一些禁止编译优化的场景，来向各位程序员做一些保证，只要我们是按照原则进行编程，那么就能够保持并发编程的正确性。具体如下：

1.  程序次序原则，在同一个线程中，按照程序的顺序，前面的操作会对后续的任何操作happens-before。在同一个线程内，代码是有顺序执行的，其实就是可能会发生指令重拍，但是保证对代码的执行结果一定是和按照顺序执行的结果相同的。
2.  监视器锁规则：对于一个锁的解锁操作，happens-before后续对于这个锁的加锁操作。就是说无论是单线程还是多线程，对于一个锁来说，一个县城对这个锁解锁之后，另一个县城获取了这个锁都能看到前一个锁的操作结果。
3.  volatile变量原则，如果一个线程先去写一个volatile变量，紧接着另一个线程去读这个变量，那么这个写操作的结果一定对这个读的变量的线程可见。
4.  线程启动规则： 线程a去启动线程b，那么线程b中可以看到线程a启动b之前的操作。在主线程A执行过程中，启动子线程B，那么线程A在启动子线程B之前对共享变量的修改结果对线程B可见。
5.  线程加入规则：如果线程A执行操作`join()`线程B并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before线程A`join()`操作成功返回。
6.  传递性规则：如果A happens-before B，B happens-before C，那么A happens-before C

那么我们来从happens-before原则的角度，来解释一下下面的程序结果：

public class Main {
        private static int a = 0;
      	private static int b = 0;
        public static void main(String[] args) {
            a = 10;
            b = a + 1;
            new Thread(() -> {
              if(b > 10) System.out.println(a); 
            }).start();
        }
    }

首先我们定义以上出现的操作：

*  \*\*A：\*\*将变量`a`的值修改为`10`
 *  \*\*B：\*\*将变量`b`的值修改为`a + 1`
 *  \*\*C：\*\*主线程启动了一个新的线程，并在新的线程中获取`b`，进行判断，如果为`true`那么就打印`a`

`首先我们来分析，由于是同一个线程，并且B是一个赋值操作且读取了A，那么按照程序次序规则，A happens-before B，接着在B之后，马上执行了C，按照线程启动规则，在新的线程启动之前，当前线程之前的所有操作对新的线程是可见的，所以 B happens-before C，最后根据传递性规则，由于A happens-before B，B happens-before C，所以A happens-before C，因此在新的线程中会输出a修改后的结果10`

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[image-20220303144344450]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/03056327a9a5408a9032b24f3bccac6b.png