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并发编程的艺术

2022-08-20 17:01:50 作者：互联网

现在我们介绍避免死锁的几个常见方法。

❑ 避免一个线程同时获取多个锁。

❑ 避免一个线程在锁内同时占用多个资源，尽量保证每个锁只占用一个资源。

❑ 尝试使用定时锁，使用lock.tryLock（timeout）来替代使用内部锁机制。

❑ 对于数据库锁，加锁和解锁必须在一个数据库连接里，否则会出现解锁失败的情况。

Java并发机制的底层实现原理

Java中所使用的并发机制依赖于JVM的实现和CPU的指令

volatile的应用

在多线程并发编程中synchronized和volatile都扮演着重要的角色，volatile是轻量级的synchronized，它在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”。

[✎ 这个轻量级很精确]

如果一个字段被声明成volatile，Java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。

有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候会多出第二行汇编代码，通过查IA-32架构软件开发者手册可知，Lock前缀的指令在多核处理器下会引发了两件事

1）将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。

2）这个写回内存的操作会使在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。

在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现缓存一致性协议，每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器对这个数据进行修改操作的时候，会重新从系统内存中把数据读到处理器缓存里。

volatile变量自身具有下列特性。

❑ 可见性。对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。

❑ 原子性：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性，但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性。

volatile读的内存语义如下。当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。

volatile的两条实现原则。

1）Lock前缀指令会引起处理器缓存回写到内存。

2）一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效

下面是基于保守策略的JMM内存屏障插入策略。

❑ 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。

❑ 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。

❑ 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。

❑ 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

synchronized的实现原理与应用

Java中的每一个对象都可以作为锁。具体表现为以下3种形式。

❑ 对于普通同步方法，锁是当前实例对象。

❑ 对于静态同步方法，锁是当前类的Class对象。

❑ 对于同步方法块，锁是Synchonized括号里配置的对象。

JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，但两者的实现细节不一样。代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现的，而方法同步是使用另外一种方式实现的，细节在JVM规范里并没有详细说明。但是，方法的同步同样可以使用这两个指令来实现。

[✎ 同步代码块monitorenter和monitorexit]

monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处，JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。任何对象都有一个monitor与之关联，当且一个monitor被持有后，它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权，即尝试获得对象的锁。

对于同步块的实现使用了monitorenter和monitorexit指令，而同步方法则是依靠方法修饰符上的ACC_SYNCHRONIZED来完成的。无论采用哪种方式，其本质是对一个对象的监视器（monitor）进行获取，而这个获取过程是排他的，也就是同一时刻只能有一个线程获取到由synchronized所保护对象的监视器。

Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位

[✎ hashcode,分代年龄，锁标记]

synchronized用的锁是存在Java对象头里的。

1.6中，锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率

1 偏向锁

大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁）：如果没有设置，则使用CAS竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，那么程序默认会进入轻量级锁状态。

2 轻量级锁

（1）轻量级锁加锁线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。

（2）轻量级锁解锁轻量级解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。图2-2是两个线程同时争夺锁，导致锁膨胀的流程图。

Java如何实现原子操作

1 使用循环CAS实现原子操作

JDK的并发包里提供了一些类来支持原子操作，如AtomicBoolean（用原子方式更新的boolean值）、AtomicInteger（用原子方式更新的int值）和AtomicLong（用原子方式更新的long值）。这些原子包装类还提供了有用的工具方法，比如以原子的方式将当前值自增1和自减1。

2 CAS实现原子操作的三大问题

1 ABA问题

从Java 1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

2 循环时间长开销大

3 只能保证一个共享变量的原子操作

内存模型

同步是指程序中用于控制不同线程间操作发生相对顺序的机制

所有实例域、静态域和数组元素都存储在堆内存中，堆内存在线程之间共享

如果线程A与线程B之间要通信的话，必须要经历下面2个步骤。

1）线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。

2）线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分3种类型。

1）编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。

2）指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism，ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。

3）内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

对于处理器重排序，JMM的处理器重排序规则会要求Java编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障（Memory Barriers，Intel称之为Memory Fence）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

为了保证内存可见性，Java编译器在生成指令序列的适当位置会插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

与程序员密切相关的happens-before规则如下。

❑ 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作。

❑ 监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。

❑ volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens- before于任意后续对这个volatile域的读。

❑ 传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。

由于操作1和操作2没有数据依赖关系，编译器和处理器可以对这两个操作重排序；同样，操作3和操作4没有数据依赖关系，编译器和处理器也可以对这两个操作重排序，这样可能会出现与预期不一致的结果

JMM对这两种不同性质的重排序，采取了不同的策略，如下。

❑ 对于会改变程序执行结果的重排序，JMM要求编译器和处理器必须禁止这种重排序。

❑ 对于不会改变程序执行结果的重排序，JMM对编译器和处理器不做要求（JMM允许这种重排序）

《JSR-133:Java Memory Model and Thread Specification》定义了如下happens-before规则。

1）程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作。

2）监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。

3）volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读。

4）传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。

5）start()规则：如果线程A执行操作ThreadB.start()（启动线程B），那么A线程的ThreadB.start()操作happens-before于线程B中的任意操作。

6）join()规则：如果线程A执行操作ThreadB. join()并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB. join()操作成功返回。

双重检查锁定看起来似乎很完美，但这是一个错误的优化！在线程执行到第4行，代码读取到instance不为null时，instance引用的对象有可能还没有完成初始化。对于前面的基于双重检查锁定来实现延迟初始化的方案（指DoubleCheckedLocking示例代码），只需要做一点小的修改（把instance声明为volatile型），就可以实现线程安全的延迟初始化。

Java程序的内存可见性保证可以分为下列3类。

❑ 单线程程序。单线程程序不会出现内存可见性问题。编译器、runtime和处理器会共同确保单线程程序的执行结果与该程序在顺序一致性模型中的执行结果相同。

❑ 正确同步的多线程程序。正确同步的多线程程序的执行将具有顺序一致性（程序的执行结果与该程序在顺序一致性内存模型中的执行结果相同）。这是JMM关注的重点，JMM通过限制编译器和处理器的重排序来为程序员提供内存可见性保证。

❑ 未同步/未正确同步的多线程程序。JMM为它们提供了最小安全性保障：线程执行时读取到的值，要么是之前某个线程写入的值，要么是默认值（0、null、false）。

并发基础

许多声明抛出InterruptedException的方法（例如Thread. sleep(longmillis)方法）这些方法在抛出InterruptedException之前，Java虚拟机会先将该线程的中断标识位清除，然后抛出InterruptedException，此时调用isInterrupted()方法将会返回false。

如果把它播放音乐比作一个线程的运作，那么对音乐播放做出的暂停、恢复和停止操作对应在线程Thread的API就是suspend()、resume()和stop()。

安全的终结线程

中断状态是线程的一个标识位，而中断操作是一种简便的线程间交互方式，而这种交互方式最适合用来取消或停止任务。除了中断以外，还可以利用一个boolean变量来控制是否需要停止任务并终止该线程。

wait notify

1）使用wait()、notify()和notifyAll()时需要先对调用对象加锁。

2）调用wait()方法后，线程状态由RUNNING变为WAITING，并将当前线程放置到对象的等待队列。

3）notify()或notifyAll()方法调用后，等待线程依旧不会从wait()返回，需要调用notify()或notifAll()的线程释放锁之后，等待线程才有机会从wait()返回。

4）notify()方法将等待队列中的一个等待线程从等待队列中移到同步队列中，而notifyAll()方法则是将等待队列中所有的线程全部移到同步队列，被移动的线程状态由WAITING变为BLOCKED。

5）从wait()方法返回的前提是获得了调用对象的锁。

[✎ 看到没有，监视器对象，上面这个图很经典 wait-等待队列-同步队列-监视器]

ThreadLocal

ThreadLocal，即线程变量，是一个以ThreadLocal对象为键、任意对象为值的存储结构。这个结构被附带在线程上，也就是说一个线程可以根据一个ThreadLocal对象查询到绑定在这个线程上的一个值。

Java中的锁

独占锁

独占锁就是在同一时刻只能有一个线程获取到锁，而其他获取锁的线程只能处于同步队列中等待，只有获取锁的线程释放了锁，后继的线程才能够获取锁

重入锁

重入锁ReentrantLock，顾名思义，就是支持重进入的锁，它表示该锁能够支持一个线程对资源的重复加锁。除此之外，该锁的还支持获取锁时的公平和非公平性选择。而synchronized关键字隐式的支持重进入，比如一个synchronized修饰的递归方法，在方法执行时，执行线程在获取了锁之后仍能连续多次地获得该锁，而不像Mutex由于获取了锁，而在下一次获取锁时出现阻塞自己的情况。

读写锁

之前提到锁（如Mutex和ReentrantLock）基本都是排他锁，这些锁在同一时刻只允许一个线程进行访问，而读写锁在同一时刻可以允许多个读线程访问，但是在写线程访问时，所有的读线程和其他写线程均被阻塞。读写锁维护了一对锁，一个读锁和一个写锁，通过分离读锁和写锁，使得并发性相比一般的排他锁有了很大提升。读写锁的性能都会比排它锁好，因为大多数场景读是多于写的。在读多于写的情况下，读写锁能够提供比排它锁更好的并发性和吞吐量。Java并发包提供读写锁的实现是ReentrantReadWriteLock

Lock

针对一个场景，手把手进行锁获取和释放，先获得锁A，然后再获取锁B，当锁B获得后，释放锁A同时获取锁C，当锁C获得后，再释放B同时获取锁D，以此类推。这种场景下，synchronized关键字就不那么容易实现了，而使用Lock却容易许多。

Condition

都拥有一组监视器方法（定义在java.lang.Object上），主要包括wait()、wait(long timeout)、notify()以及notifyAll()方法，这些方法与synchronized同步关键字配合，可以实现等待/通知模式。Condition接口也提供了类似Object的监视器方法，与Lock配合可以实现等待/通知模式，但是这两者在使用方式以及功能特性上还是有差别的。

JUC

AQS

队列同步器AbstractQueuedSynchronizer（以下简称同步器），是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架，它使用了一个int成员变量表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取线程的排队工作

同步队列

同步器依赖内部的同步队列（一个FIFO双向队列）来完成同步状态的管理，当前线程获取同步状态失败时，同步器会将当前线程以及等待状态等信息构造成为一个节点（Node）并将其加入同步队列，同时会阻塞当前线程，当同步状态释放时，会把首节点中的线程唤醒，使其再次尝试获取同步状态。

ReentrantLoc

ReentrantLock的实现依赖于Java同步器框架AbstractQueuedSynchronizer（本文简称之为AQS）。AQS使用一个整型的volatile变量（命名为state）来维护同步状态，马上我们会看到，这个volatile变量是ReentrantLock内存语义实现的关键。

并发工具类

CountDownLatch

CountDownLatch允许一个或多个线程等待其他线程完成操作

CyclicBarrier

CyclicBarrier的字面意思是可循环使用（Cyclic）的屏障（Barrier）。它要做的事情是，让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续运行。CountDownLatch的计数器只能使用一次，而CyclicBarrier的计数器可以使用reset()方法重置。所以CyclicBarrier能处理更为复杂的业务场景。例如，如果计算发生错误，可以重置计数器，并让线程重新执行一次。

Semaphore

Semaphore（信号量）是用来控制同时访问特定资源的线程数量，它通过协调各个线程，以保证合理的使用公共资源。

Exchanger

Exchanger（交换者）是一个用于线程间协作的工具类。Exchanger用于进行线程间的数据交换。它提供一个同步点，在这个同步点，两个线程可以交换彼此的数据。这两个线程通过exchange方法交换数据，如果第一个线程先执行exchange()方法，它会一直等待第二个线程也执行exchange方法，当两个线程都到达同步点时，这两个线程就可以交换数据，将本线程生产出来的数据传递给对方。

线程池