线程同步(锁)

Java的线程安全性问题主要关注点有3个：可见性、有序性和原子性。

• voliate 是由于本身语义禁止了指令重排语义
• synchronized 加重量锁

Java内存模型（JMM）解决了可见性和有序性的问题，而锁解决了原子性的问题。

0. 线程实现

1. 内核线程实现
   在内核态内进行，需要不断的系统调用（用户态<-->内核态切换）
   轻量级线程与内核线程关系 1：1
2. 用户线程实现（控制过于复杂基本不再使用）
   在用户态内进行，不需要切态
   进程与用户线程关系1：N
3. 混合实现
   轻量级线程与用户线程关系M：N
4. Java线程实现
   根据操作系统线程模型决定(JVM最新版本使用 轻量级线程LWT实现)

0.1 Java线程调度

1. 协同式线程调度（线程自己控制）,容易导致一个线程长期block
2. 抢占式线程调度（系统控制 - Java方式），可以通过线程优先级来控制

0.2 Java线程状态与操作系统线程状态

Java线程状态	关系	操作系统线程状态
New	创建未启动	New
Runable	执行/等待CPU	Running/Ready
Waiting	不分配CPU，等待其它线程显示唤醒	.
Timed Waiting	不分配CPU，自动超时/等待其它线程唤醒	.
Blocked	进入同步区，等待阻塞锁	Blocked
Teminaled	终止线程	Teminaled

线程状态转换图.png

0.3 线程安全实现

互斥是因，同步是果。互斥是方法，同步是目的

1. 互斥同步(synchronized/reentranLock)
2. 非阻塞同步(CAS)
3. 无同步(可重入代码，线程本地存储 -> 静态方法一般都是可重入)

• 变量被多线程访问，使用volatile声明“异变”
• 变量线程独享，使用ThreadLocal

1. Happens-Before工作内存->主内存交互方式

1. 需要顺序，但不需要连续，必须成对出现
   1.1 read(主内存读入工作内存) -> load(载入副本)
   1.2 store(工作内存存储到主内存) -> write(写入主内存)
2. assign(赋值)给工作内存赋值后必须同步回主内存，不允许线程无故同步回主主内存
3. 初始化一个对象过程 read->load->assign->use->store->write
4. lock(线程锁定)只能被一个线程操作，但是可以被同一个线程操作多次，同时要执行同样多次的unlock(线程解锁)
5. unlock/lock 需要成对存在
6. unlock前需要将工作内存同步回主内存(store->write)
7. lock变量，会清空此变量的工作内存信息(read->load)

2. synchronized（内置锁）- 监控器monitor实现

synchronized代码块在Java会被编译成为monitorenter和monitorexit字节码指令（方法在常量池method_info结构体里放入标识ACC_SYNCHRONIZED），需要一个reference类型参数来指明锁定和解锁对象

1. 有重入锁的特性在执行monitorenter指令时，首先要尝试获取对象的锁->进入monitor，如果这个对象没有被锁定（monitor为空），或者当前线程已经拥有了那个对象的锁（重入monitor），把锁的计数器加1，相应地，在执行monitorexit指令时会将锁计数器减1，当计数器为0时，锁就会被释放
2. 如果获取对象锁失败，那当前线程就要加入同步队列，阻塞等待，直到对象锁被另外一个线程释放，线程争取到信号量
3. 静态方法同步方式采用的是 Class Lock，非静态方法同步方式采用的是Object Lock

通过对象引用找到同步对象，然后获取对象上的监视器锁
- 进入sync 块后, 清空工作内存, 从主内存加载数据
- 退出 sync 块前, 将工作内存回写主内存

monitorenter和monitorexit 特点是Java内存模型中的lock/unlock更高层的字节码指令：

1. 对同一对象实例 是可重入的，不会锁自身

2. sync块前后保证有序性（块内部不保证有序性），因此在 DLC(double-checked locking)sync(Objec.class) { o=new Object();} 时代码块内部存在指令重排，对象初始化分为三步:

   a. 为o分配栈内空间
   b. 执行Object构造函数初始化对象, 在堆中开辟空间
   c. 栈空间的值存储堆空间的地址

这时候b和c是可以指令重排，为了保证不被指令重排，应该对o设置为volatile，否则并发的情况下，b还没有执行完就分配了堆地址, 内部数据是错误的.

3. 可以使用lazy initialization holder解决初始化问题，使用延迟加载，而线程安全使用静态类的加载和初始化保证

private static class ResourceHolder {
  public static Resource resource = new Resource();
}
public static Resource getResource() {
  return ResourceHolder .resource;
}

尽可能的使用synchronized，易于优化, JVM 保证释放锁
不足之处：

1. 不能中断阻塞, 没有timeout机制，不能停止等待，必须到成功
2. 不能跨越多个对象
3. 只能是非公平锁

3. ReentrantLock（显式锁）

优点：

1. 等待可中断(等待超时)
2. 公平/非公平锁
3. 可以绑定多个condition条件
4. 可以使用非块结构的锁

解决写写、写读，保证数据一致性的强加锁约束，同时也限制了读读

• 公平锁: 严格按照队列, 等待前续节点
• 非公平锁: 使用抢占式, 只要state 变为可用, 抢占到即可(头插法变成head)

state标识状态，AQS在判断状态时，通过用waitStatus>0表示取消状态，而waitStatus<0表示有效状态
采用前驱设置状态为SIGNAL通知下一个节点pred准备好了的方式，此时后继可以park等待唤醒. 插入使用尾插法

3.1 acquire(ReentrantLock使用1个信号量来控制lock/unlock)

1. 先尝试获acquire取信号量
2. 获取信号量失败，等待队列使用使用尾插法队列，此Node是一个双向链表，插入一个waiter node(使用CAS+loop保证线程安全)
3. 使线程在等待队列中一直自旋到获取到资源后才返回。如果在整个等待过程中被中断过，则返回true，否则返回false（这个自旋只是等待等待队列中被被标记为SIGNAL的同步节点park后被unpark，直到所有等待队列中的节点都被唤醒并执行）
4. 获取资源后中出现中断，再进行自我中断selfInterrupt()补偿

acquire流程.png acquire流程.png
acquire-release.png

3.2 公平锁/非公平锁

使用队列来实现初始化公平

独占模式:
acquire 使用队列来在不可获取信号量后，入队列等待。信号量为1的互斥区间

共享模式:
acquireShared 信号量为n的的区间，判断是否还有资源，返回-1无资源，否则类似独占模式处理等待队列，在唤醒下一节点的时候有区别，独占模式（只有一个资源）只会修改节点，而共享模式有多个资源，在当前节点修改后还有资源，会循环主动唤醒有效的资源waiter节点，直到等待队列中所有的waiter都被唤醒一次，至于唤醒后能不能获取资源由自己去争抢

3.3 Condition -> await

reentrantLock->内置有同步队列，condition->内置有等待队列

等待队列(FIFO): 当我们将等待队列中的线程节点加入到同步队列之后，才会唤醒线程。

3.4 等待队列是单向队列、同步队列是双向队列的一些思考

同步队列要设计成双向的，是因为在等待队列中，节点唤醒是接力式的，由前一个节点唤醒它的后一个节点，如果是由next指针获取下一个节点，是有可能获取失败的，因为虚拟队列每添加一个节点，是先用CAS把tail设置为新节点，然后才修改原tail的next指针到新节点的。因此用next向后遍历是不安全的，但是如果在设置新节点为tail前，为新节点设置prev，则可以保证从tail往前遍历是安全的。因此要安全的获取一个节点Node的下一个节点，先要看next是不是null，如果是null，还要从tail往前遍历看看能不能遍历到Node

等待队列是单向，等待的线程就是等待者，只负责等待，唤醒的线程就是唤醒者，只负责唤醒，因此每次要执行唤醒操作的时候，直接唤醒同步队列的首节点就行了。等待队列的实现中不需要遍历队列，因此也不需要prev指针

4. volatile

volatile在Java会被编译成0x01a3de24:lock addl $0x0,(%esp) ;...f0830424 00指令, 来指示缓存一致原则

此指令相当于一个内存屏障，在多CPU访问同一块内存屏障(Memory Barrier)的时候，有 总线锁/缓存锁 两种方式来保证只有一个处理器可以修改, 在修改后缓存上的数据后写回内存, 通过缓存一致性原则, 让其他处理器上的数据缓存无效. 强制读取内存来达到 可见性. 而 barrier 的存在禁止了对其进行指令重拍.
不要做 volatile int count=0; count++;操作，这个不保证原子性

• 保障可见性/有序性
• 不保障原子性

使用场景：

1. 写入变量不依赖变量当前值
2. 不与其他状态变量共同参与
3. 访问变量不需要加其他锁

读有monitorenter语义
写有monitorexit语义

5. （关卡barrier）CyclicBarrier

CyclicBarrier(集结点)设置集中总数. 当一个线程运行barrier.await()时, 如果集中点没有足够多线程达到, 会等待，直到所有的线程都到达了这个点，所有线程才重新运行
CyclicBarrier可重用，使用reset()

6. （闭锁latch）CountDownLatch / FuntureTask

CountDownLatch（计数器）某线程运行到某个点上之后，只是给某个数值减1而已，该线程继续运行
CountDownLatch.await() 可以有多个线程监听, 不可重用，无法重置

FutureTask 多线程处理，在 run() 的过程中，线程使用get()，会一致阻塞到获得run()的结果
闭锁不阻塞线程本身，等待的是事件

7. AtomicXXX 原子变量

CAS (Compareand-Swap) 原子操作
这是由硬件提供原子操作指令实现的

CAS采用自旋等待的方式来解决同步问题，绝大多数的并发都是瞬时的，等待片刻即可
锁是阻塞的，需要挂起线程，稍后需要唤醒进程，大量的中断，等待
CAS在非激烈竞争的情况下，开销更小，速度更快
CAS在激烈竞争的情况下，和锁的性能类似或者更差

java.util.concurrent中实现的原子操作类包括：AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference

Lock-Free算法（乐观锁）：Lock-Free 是指能够确保执行它的所有线程中至少有一个能够继续往下执行。由于每个线程不是 starvation-free 的，即有些线程可能会被任意地延迟，然而在每一步都至少有一个线程能够往下执行，因此系统作为一个整体是在持续执行的，可以认为是 system-wide的。所有 Wait-free 的算法都是 Lock-Free 的。
Mutex由操作系统实现，而atomic包中的原子操作则由底层硬件直接提供支持。在 CPU 实现的指令集里，有一些指令被封装进了atomic包，这些指令在执行的过程中是不允许中断（interrupt）的，因此原子操作可以在lock-free的情况下保证并发安全，并且它的性能也能做到随 CPU 个数的增多而线性扩展

8. 原子性

一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性，称为原子性（atomicity）, CPU 不可能不中断的执行一系列操作，但如果我们在执行多个操作时，能让他们的中间状态对外不可见，那我们就可以宣称他们拥有了”不可分割”的原子性下(我怎么觉得这个更像一致性)