并发基本原理以及常用工具类介绍

并发编程的挑战:

• 频繁的上下文切换
• 死锁（线程循环依赖对方释放锁）
• 资源限制的挑战

如何减少上下文切换：

无锁并发编程、CAS算法、使用最少线程

• 无锁并发编程。多线程竞争锁时，会引起上下文切换，所以多线程处理数据时，可以用一些办法来避免使用锁，如将数据的ID按照Hash算法取模分段，不同的线程处理不同段的数据。
• CAS算法。Java的Atomic包使用CAS算法来更新数据，而不需要加锁。
• 使用最少线程。避免创建不需要的线程，比如任务很少，但是创建了很多线程来处理，这
  样会造成大量线程都处于等待状态。

分析线程状态使用jstack命令dump线程信息 ex：jstack 8444

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：

volatile的两条实现原则：

• Lock前缀指令会引起处理器缓存回写到内存
• 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

synchronized的实现原理与应用：

Java中的每一个对象都可以作为锁。

• 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，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。

对象头：

在虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头、实例数据、对齐填充

对象头一般由三部分组成： mark word、指向类的指针、数组长度（只有数组对象才有）
32位虚拟机中对象头存储结构如图所示：（Epoch 偏向锁时间戳）

image

锁介绍：

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MarkWord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。

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

如何实现原子操作：

（1）使用cas循环实现原子操作

• cas操作时会面临ABA问题，可以通过在变量前加版本号解决ABA问题
• 循环时间长开销大，当自旋cas长时间不成功时，会给cpu带来非常大的执行开销
• 只能保证一个共享变量的原子操作，可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作

（2）使用锁机制实现原子操作

JVM内部实现了很多种锁机制，有偏向锁、轻量级锁和互斥锁。有意思的是除了偏向锁，JVM实现锁的方式都用了循环CAS，即当一个线程想进入同步块的时候使用循环CAS的方式来获取锁，当它退出同步块的时候使用循环CAS释放锁。

从源代码到指令序列的重排序：

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。

指令重排序对多线程的影响：

class ReorderExample {
    int a = 0;
    boolean flag = false;
    
    public void writer() {
        a = 1; // 1
        flag = true; // 2
    }
    Public void reader() {
        if (?flag) { // 3
        int i = a * a; // 4
        ……
    }
}

flag变量是个标记，用来标识变量a是否已被写入。这里假设有两个线程A和B，A首先执行
writer()方法，随后B线程接着执行reader()方法。线程B在执行操作4时，不一定能看到线程A在操作
1对共享变量a的写入

volatile的特性：

• 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。

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并发编程工具类学习：

1、Unsafe

地址-不安全类讲解

脚本之家-不安全类通俗详解

1、直接内存访问

Unsafe的直接内存访问：用Unsafe开辟的内存空间不占用Heap空间，当然也不具有自动内存回收功能。做到像C一样自由利用系统内存资源。

2、Unsafe类源码分析

Unsafe的大部分API都是native的方法，主要包括以下几类：

1）Class相关。主要提供Class和它的静态字段的操作方法。

2）Object相关。主要提供Object和它的字段的操作方法。

3）Array相关。主要提供数组及其中元素的操作方法。

4）并发相关。主要提供低级别同步原语，如CAS、线程调度、volatile、内存屏障等。

5）Memory相关。提供了直接内存访问方法（绕过Java堆直接操作本地内存），可做到像C一样自由利用系统内存资源。

6）系统相关。主要返回某些低级别的内存信息，如地址大小、内存页大小。

2、AQS

AQS深度剖析

3、CountDownLatch

CountDownLatch的用法:

CountDownLatch典型用法1：某一线程在开始运行前等待n个线程执行完毕。将CountDownLatch的计数器初始化为n new CountDownLatch(n) ，每当一个任务线程执行完毕，就将计数器减1 countdownlatch.countDown()，当计数器的值变为0时，在CountDownLatch上 await() 的线程就会被唤醒。一个典型应用场景就是启动一个服务时，主线程需要等待多个组件加载完毕，之后再继续执行。

CountDownLatch典型用法2：实现多个线程开始执行任务的最大并行性。注意是并行性，不是并发，强调的是多个线程在某一时刻同时开始执行。类似于赛跑，将多个线程放到起点，等待发令枪响，然后同时开跑。做法是初始化一个共享的CountDownLatch(1)，将其计数器初始化为1，多个线程在开始执行任务前首先 coundownlatch.await()，当主线程调用 countDown() 时，计数器变为0，多个线程同时被唤醒。

4、Semaphore

Semaphore(信号量)用来控制并发访问数量，当一个任务进入时，资源计数器会减一（获得许可证），当任务离开时，资源计数器加一（归还许可证），当计数器为0时，如果有任务需要获取许可才能执行操作，则此任务会阻塞。

5、CyclicBarrier

多个线程相互等待，同时执行。