java并发

并发核心理论

• 1.共享性: 数据共享是线程安全问题的主要问题之一

• ２．互斥性: 资源互斥指同一时间内值允许一个访问者访问．通常情况修改数据是互斥性，读数据不要求．因此我们有共享锁和互斥锁．也叫读锁和写锁．

• ３．原子性：指操作是一个独立，不可分割的整体．操作不会中断，数据不会执行一半的时候被其他操作修改．例如一条指令就是最基本的原子．但是　i++，就分了好几次操作：

  读取ｉ＝１值　－－>　２．ｉ＝１+1 －－－＞３．存储ｉ＝２

• ４．可见性：

  
  image.png
  

  每个线程都有自己的工作内存，对于共享变量，先拿到变量的副本，对副本进行操作，在某一个时间在把副本的值同步到共享变量．这样导致，有可能线程１修改了共享变量的值，某一时间线程２可能拿不到最新的值．

• ５．有序性：为了提高性能，编译器和处理器可能会对指令进行重排．

synchronized及其实现原理

synchronized 作用：

• １．确保线程互斥的访问同步代码
• ２．保证共享变量能及时可见
• ３．解决重排序问题

synchronize 的一般用法，对象锁，类锁．（synchronized Object,synchronized 方法）
对class文件反编译后的汇编语言如下:

image.png
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说明synchronized 是在对象前面加了　monitor .
Monitorenter : 对象都享有一个monitor
１．线程一旦进入monitor，monitor值１，线程为monitor拥有者．
２．其他线程到了这里，会进行阻塞，直到ｍｏｎｉｔｏｒ的值＝０．
Monitorexit:monitor 变回０．说明其他线程可以拥有．

对方法加synchronized

image.png
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Synchronized底层优化（偏向锁、轻量级锁）

锁	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法比仅存在纳秒级的差距。	如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗。	适用于只有一个线程访问同步块场景。
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度。	如果始终得不到锁竞争的线程使用自旋会消耗CPU。	追求响应时间。同步块执行速度非常快。
重量级锁	线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU。	线程阻塞，响应时间缓慢。	追求吞吐量。同步块执行时间较长。

锁的状态：　无锁状态，偏向锁 ，轻量级锁，重量级锁
随着锁的竞争，锁的状态可以升级，但是是单向的．从低到高，不会出现锁的降级．
偏向锁＜轻量级锁＜重量级锁

image.png

轻量级锁：本意使用操作系统互斥量解决传统的重量级锁的性能问题．
使用场景：线程交替执行同步块．如果同一时刻访问同一锁的情况，轻量级锁会升级重量级锁．
偏向锁：用于一个线程执行同步块是提高性能．一旦出现多线程竞争，升级为轻量级锁．
总结 :JDk中采用轻量级锁和偏向锁等对Synchronized的优化，但是这两种锁也不是完全没缺点的，比如竞争比较激烈的时候，不但无法提升效率，反而会降低效率，因为多了一个锁升级的过程，这个时候就需要通过-XX:-UseBiasedLocking来禁用偏向锁。下面是这几种锁的对比：

锁	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法比仅存在纳秒级的差距。	如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗。	适用于只有一个线程访问同步块场景。
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度。	如果始终得不到锁竞争的线程使用自旋会消耗CPU。	追求响应时间。同步块执行速度非常快。
重量级锁	线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU。	线程阻塞，响应时间缓慢。	追求吞吐量。同步块执行时间较长。

Java并发编程：线程间的协作(wait/notify/sleep/yield/join)

线程有５中状态:
新建(New)－－＞准备状态(Runnable)－－＞运行状态(Running)－－＞阻塞(Blocking)－－＞死亡(Dead)

new :创建 new Thread();
Runnable:调用start(),进入就绪状态，等待cpu分配资源，有系统运行时线程来调度
Running:开始执行Run方法
Blocking: 阻塞
Dead
Wait/notify/notifyAll()
wait() 当前线程挂起，直到有其他线程调用notify(), notifyAll().
wait(long timeout) 当前线程挂起，直到有其他线程调用notify(), notifyAll();或者等到timeout
wait(long timeout,int nanos)
notify() 唤醒指定线程　, notifyAll()　唤醒所有的线程
注意：wait　必须在synchronized 块之内．
Thread.sleep(long sleeptime)
当前线程暂停指定的时间（毫秒）,而更深层次的区别在于sleep方法只是暂时让出CPU的执行权，并不释放锁.而wait方法则需要释放锁,(意味其他线程可以拿到锁，进行操作)

package jni.test.leon.javatest;
/**
 * Created by leon on 17-12-11.
 */
public class SleepTest {
    public synchronized void sleepMethod() {
        System.out.println("Sleep start-----");
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("Sleep end-----");
    }
    public  void waitMethod() {
        System.out.println("Wait start-----");
        synchronized (this) {
            try {
                wait(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("Wait end-----");
    }
    public static void main(String[] args) {
        final SleepTest test1 = new SleepTest();
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    test1.sleepMethod();
                }
            }).start();
        }
        try {
            Thread.sleep(10000);//暂停十秒，等上面程序执行完成
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("-----分割线-----");
        final SleepTest test2 = new SleepTest();
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    test2.waitMethod();
                }
            }).start();
        }
    }
}
//output-----
Connected to the target VM, address: '127.0.0.1:38691', transport: 'socket'
Sleep start-----
Sleep end-----
Sleep start-----
Sleep end-----
Sleep start-----
Sleep end-----
-----分割线-----
Wait start-----
Wait start-----
Wait start-----
Wait end-----
Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:38691', transport: 'socket'
Wait end-----
Wait end-----

Process finished with exit code 0

Thread.yeild()
当前线程暂停，让其他线程有机会执行．（用的场景比较少，主要是调试）

package jni.test.leon.javatest;
/**
 * Created by leon on 17-12-11.
 */
public class YieldTest implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + i);
            Thread.yield();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        YieldTest runn = new YieldTest();
        Thread t1 = new Thread(runn, "FirstThread");
        Thread t2 = new Thread(runn, "SecondThread");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
//--output
FirstThread: 0
FirstThread: 1
SecondThread: 0
FirstThread: 2
SecondThread: 1
FirstThread: 3
SecondThread: 2
FirstThread: 4
SecondThread: 3
SecondThread: 4

Thread.join()/Thread.join(long waittime)/Thread.join(long waittime,int nano)
作用：父线程等待子线程执行完之后在执行，可以达到异步子线程，最后的同步．

package jni.test.leon.javatest;
/**
 * Created by leon on 17-12-11.
 */
public class JoinTest implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(10);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " start-----");
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " end------");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        Thread test = null;
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            test = new Thread(new JoinTest());
            test.start();
        }
        //这里是阻塞
        try {
            test.join(); //调用join方法
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("Finished~~~");
    }
}
//output------
Thread-0 start-----
Thread-1 start-----
Thread-2 start-----
Thread-3 start-----
Thread-4 start-----
Thread-0 end------
Thread-1 end------
Thread-2 end------
Thread-3 end------
Thread-4 end------
Finished~~~

总结：
因为wait() /notify () 是对象monitor,所以当wait的时候就monitorEnter,必须等待有monitorExit 才能释放对象的拥有权．所以，一旦wait 了，其他的线程是无法获得拥有权，也就不能进入．

而sleep, yield这些是Thread级别的方法，只是让出cpu执行权join，调用的是wait 方法，所以是会进行对象级别的monitor.

volatile的使用及其原理

我们知道　可见性，有序性，原子性　的问题．synchronized 就是用来解决这些问题的，但是synchronized是比较重量级，volatile是一个轻量级的解决有序性，可见性，原子性的方案．
原理:
1.对有序性:
在解释这个问题前，我们先来了解一下Java中的happen-before规则，JSR 133中对Happen-before的定义如下：

Two actions can be ordered by a happens-before relationship.If one action happens before another, then the first is visible to and ordered before the second.

通俗一点说就是如果a happen-before b，则a所做的任何操作对b是可见的。（这一点大家务必记住，因为happen-before这个词容易被误解为是时间的前后）。我们再来看看JSR 133中定义了哪些happen-before规则：

• Each action in a thread happens before every subsequent action in that thread.
• An unlock on a monitor happens before every subsequent lock on that monitor.
• A write to a volatile field happens before every subsequent read of that volatile.
• A call to start() on a thread happens before any actions in the started thread.
• All actions in a thread happen before any other thread successfully returns from a join() on that thread.
• If an action a happens before an action b, and b happens before an action c, then a happens before c.

翻译过来为：

• 同一个线程中的，前面的操作 happen-before 后续的操作。（即单线程内按代码顺序执行。但是，在不影响在单线程环境执行结果的前提下，编译器和处理器可以进行重排序，这是合法的。换句话说，这一是规则无法保证编译重排和指令重排）。
• 监视器上的解锁操作 happen-before 其后续的加锁操作.(Synchronized 规则）
• 对volatile变量的写操作 happen-before 后续的读操作。（volatile 规则）
• 线程的start() 方法 happen-before 该线程所有的后续操作。（线程启动规则）
• 线程所有的操作 happen-before 其他线程在该线程上调用 join 返回成功后的操作。
• 如果 a happen-before b，b happen-before c，则a happen-before c（传递性）。
  这里我们主要看下第三条：volatile变量的保证有序性的规则<<Java并发编程：核心理论>>

2.可见性
使用　Volatile 关键字
１．修改时会强制修改主内存的数据
２．修改变量后导致其他线程工作中内存的值失效，所以需要重新读取主内存的数据
volatile 的使用场景比较有限：
１．该变量写操作不依赖当前值
２．该变量没有包含在具有其他变量的不变式中（这个变量只有原子性操作，简单说来就是　进行赋值）

常用：
1.状态标记量

Ａ：
volatile boolean flag = false;
 
while(!flag){
    doSomething();
}
 
public void setFlag() {
    flag = true;
}

Ｂ：
volatile boolean inited = false;
//线程1:
context = loadContext();  
inited = true;            
 
//线程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

2.double check

class Singleton{
    private volatile static Singleton instance = null;
 
    private Singleton() {
 
    }
 
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance==null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance==null)
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}