Java并发编程学习笔记（六）并发编程基础知识

1、并发与并行的区别？

并发是指同一个时间段内多个任务同时都在执行，并且都没有执行结束，而并行是说在单位时间内多个任务同时在执行。并发任务强调在一个时间段内同时执行，而一个时间段由多个单位时间累积而成，所以说并发的多个任务在单位时间内不一定同时在执行。在单CPU的时代多个任务都是并发执行的，这是因为单个CPU同时只能执行一个任务。在单CPU时代多任务是共享一个CPU的，当一个任务占用CPU运行时，其他任务就会被挂起，当占用CPU的任务时间片用完后，会把CPU让给其他任务来使用，所以在单CPU时代多线程编程是没有太大意义的，并且线程间频繁的上下文切换还会带来额外开销。多CPU时代就不同了，多个线程分别在各自的CPU上执行任务，实现了真正的并行运行。

在多线程编程实践中，线程个数往往多于CPU个数，所以一般都称多线程并发编程而不是多线程并行编程。所以一般称作高并发，而不是高并行。

2、Java*享变量的内存可见性问题

Java内存模型规定，将所有的变量都存放在主内存中，当线程使用变量时，会把主内存里面的变量复制到自己的工作空间或者叫作工作内存，线程读写变量时操作的是自己工作内存中的变量。

图中所示是一个双核CPU系统架构，每个核有自己的控制器和运算器，其中控制器包含一组寄存器和操作控制器，运算器执行算术逻辑运算。每个核都有自己的一级缓存（线程私有），在有些架构里面还有一个所有CPU都共享的二级缓存（线程共享）。那么Java内存模型里面的工作内存，就对应这里的L1或者L2缓存或者CPU的寄存器。

当一个线程操作共享变量时，它首先从主内存复制共享变量到自己的工作内存，然后对工作内存里的变量进行处理，处理完后将变量值更新到主内存。

那么假如线程A和线程B同时处理一个共享变量，会出现什么情况？我们使用上图所示CPU架构，假设线程A和线程B使用不同CPU执行，并且当前两级Cache都为空，那么这时候由于私有一级Cache的存在，将会导致内存不可见问题，具体看下面的分析。

• 线程A首先获取共享变量X的值，由于两级Cache都没有命中，所以加载主内存中X的值，假如为0。然后把X=0的值缓存到两级缓存，线程A修改X的值为1，然后将其写入两级Cache，并且刷新到主内存。线程A操作完毕后，线程A所在的CPU的两级Cache内和主内存里面的X的值都是1。

• 线程B获取X的值，首先一级缓存没有命中，然后看二级缓存，二级缓存命中了，所以返回X=1；到这里一切都是正常的，因为这时候主内存中也是X=1。然后线程B修改X的值为2，并将其存放到线程2所在的一级Cache和共享二级Cache中，最后更新主内存中X的值为2；到这里一切都是好的。

• 线程A这次又需要修改X的值，获取时一级缓存命中，并且X=1，到这里问题就出现了，明明线程B已经把X的值修改为了2，为何线程A获取的还是1呢？这就是共享变量的内存不可见问题，也就是线程B写入的值对线程A不可见。

3、synchronized关键字

synchronized块是Java提供的一种原子性内置锁，Java中的每个对象都可以把它当作一个同步锁来使用，这些Java内置的使用者看不到的锁被称为内部锁，也叫作监视器锁。
线程的执行代码在进入synchronized代码块前会自动获取内部锁，这时候其他线程访问该同步代码块时会被阻塞挂起。拿到内部锁的线程会在正常退出同步代码块或者抛出异常后或者在同步块内调用了该内置锁资源的wait 系列方法时释放该内置锁。内置锁是排它锁，也就是当一个线程获取这个锁后，其他线程必须等待该线程释放锁后才能获取该锁。

synchronized的内存语义，这个内存语义就可以解决共享变量内存可见性问题。

**进入synchronized块的内存语义是把在synchronized块内使用到的变量从线程的工作内存中清除，这样在synchronized块内使用到该变量时就不会从线程的工作内存中获取，而是直接从主内存中获取。**退出synchronized块的内存语义是把在synchronized块内对共享变量的修改刷新到主内存。

其实这也是加锁和释放锁的语义，当获取锁后会清空锁块内本地内存中将会被用到的共享变量，在使用这些共享变量时从主内存进行加载，在释放锁时将本地内存中修改的共享变量刷新到主内存。

除可以解决共享变量内存可见性问题外，synchronized经常被用来实现原子性操作。另外请注意，synchronized 关键字会引起线程上下文切换并带来线程调度开销。

4、volatile关键字

上面介绍了使用锁的方式可以解决共享变量内存可见性问题，但是使用锁太笨重，因为它会带来线程上下文的切换开销。对于解决内存可见性问题，Java还提供了一种弱形式的同步，也就是使用volatile关键字。该关键字可以确保对一个变量的更新对其他线程马上可见。当一个变量被声明为volatile时，线程在写入变量时不会把值缓在寄在器或者其他地方，而是会把值刷新回主内存。当其他线程读取该共享变量时，会从主内存重新获取最新值，而不是使用当前线程的工作内存中的值。volatile的内存语义和synchronized有相似之处，具体来说就是，当线程写入了volatile变量值时就等价于线程退出synchronized同步块（把写入工作内存的变量值同步到主内存），读取volatile变量值时就相当于进入同步块（先清空本地内存变量值，再从主内存获取最新值）。

在这里使用synchronized和使用volatile是等价的，都解决了共享变量value的内存可见性问题，但是前者是独占锁，同时只能有一个线程调用get()方法，其他调用线程会被阻塞，同时会存在线程上下文切换和线程重新调度的开销，这也是使用锁方式不好的地方。而后者是非阻塞算法，不会造成线程上下文切换的开销。

但并非在所有情况下使用它们都是等价的，volatile虽然提供了可见性保证，但并不保证操作的原子性。

那么一般在什么时候才使用volatile 关键字呢？

• 写入变量值不依赖变量的当前值时。因为如果依赖当前值，将是获取一计算一写入三步操作，这三步操作不是原子性的，而volatile不保证原子性。

• 读写变量值时没有加锁。因为加锁本身已经保证了内存可见性，这时候不需要把变量声明为volatile的。

5、Java中的原子性操作

所谓原子性操作，是指执行一系列操作时，这些操作要么全部执行，要么全部不执行，不存在只执行其中一部分的情况。在设计计数器时一般都先读取当前值，然后+1，再更新。
这个过程是读一改一写的过程，如果不能保证这个过程是原子性的，那么就会出现线程安全问题。synchronized关键字能够保证多个操作的原子性。

6、Java中的CAS操作

在Java中，锁在并发处理中占据了一席之地，但是使用锁有一个不好的地方，就是当一个线程没有获取到锁时会被阻塞挂起，这会导致线程上下文的切换和重新调度开销。Java提供了非阻塞的volatile关键字来解决共享变量的可见性问题，这在一定程度上弥补了锁带来的开销问题，但是volatile只能保证共享变量的可见性，不能解决读一改一写等的原子性问题。CAS即Compare and Swap，其是JDK提供的非阻塞原子性操作，它通过硬件保证了比较一更新操作的原子性。

JDK的rt.jar包中的Unsafe类提供了硬件级别的原子性操作，Unsafe类中的方法都是native方法，它们使用JNI的方式访问本地C++实现库。

7、Java指令重排序

Java内存模型允许编译器和处理器对指令重排序以提高运行性能，并且只会对不存在数据依赖性的指令重排序。在单线程下重排序可以保证最终执行的结果与程序顺序执行的结果一致，但是在多线程下就会存在问题。

在多线程下存在共享变量内存可见性问题。可以通过把变量声明为volatile的本身就可以避免指令重排序问题。

写volatile 变量时，可以确保 volatile 写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后。读volatile变量时，可以确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前。

8、伪共享

8.1、什么是伪共享？

当CPU访问某个变量时，首先会去看CPU Cache（相当于一级私有缓存）内是否有该变量，如果有则直接从中获取，否则就去主内存（相当于二级共享缓存）里面获取该变量，然后把该变量所在内存区域的一个Cache行大小的内存复制到Cache中。由于存放到Cache行的是内存块而不是单个变量，所以可能会把多个变量存放到一个Cache行中。当多个线程同时修改一个缓存行里面的多个变量时，由于同时只能有一个线程操作缓存行，所以相比将每个变量放到一个缓存行，性能会有所下降，这就是伪共享，如下图所示。

在该图中，变量x和y同时被放到了CPU的一级和二级缓存，当线程1使用CPU1对变量x进行更新时，首先会修改CPU1的一级缓存变量x所在的缓存行，这时候在缓存一致性协议下，CPU2中变量x对应的缓存行失效。那么线程2在写入变量x时就只能去二级缓存里查找，这就破坏了一级缓存。而一级缓存比二级缓存更快，这也说明了多个线程不可能同时去修改自己所使用的CPU中相同缓存行里面的变量。更坏的情况是，如果CPU只有一级缓存，则会导致频繁地访问主内存。

8.2、为何会出现伪共享？

伪共享的产生是因为多个变量被放入了一个缓存行中，并且多个线程同时去写入缓存行中不同的变量。那么为何多个变量会被放入一个缓存行呢？其实是因为缓存与内存交换数据的单位就是缓存行，当CPU要访问的变量没有在缓存中找到时，根据程序运行的局部性原理，会把该变量所在内存中大小为缓存行的内存放入缓存行。

在单线程下多个变量被放入同一个缓存行对性能有影响吗？

其实在正常情况下单线程访问时将数组元素放入一个或者多个缓存行对代码执行是有利的，因为数据都在缓存中，代码执行会更快。

当顺序访问数组里面元素时，如果当前元素在缓存没有命中，那么会从主内存一下子读取后续若干个元素到缓存，也就是一次内存访问可以让后面多次访问直接在缓在中命中。

所以在单个线程下顺序修改一个缓存行中的多个变量，会充分利用程序运行的局部性原则，从而加速了程序的运行。而在多线程下并发修改一个缓存行中的多个变量时就会竞争缓存行，从而降低程序运行性能。

9、锁的概述

9.1、乐观锁与悲观锁

悲观锁指对数据被外界修改持保守态度，认为数据很容易就会被其他线程修改，所以在数据被处理前先对数据进行加锁，并在整个数据处理过程中，使数据处于锁定状态。悲观锁的实现往往依靠数据库提供的锁机制，即在数据库中，在对数据记录操作前给记录加排它锁。如果获取锁失败，则说明数据正在被其他线程修改，当前线程则等待或者抛出异常。如果获取锁成功，则对记录进行操作，然后提交事务后释放排它锁。

乐观锁是相对悲观锁来说的，它认为数据在一般情况下不会造成冲突，所以在访问记录前不会加排它锁，而是在进行数据提交更新时，才会正式对数据冲突与否进行检测。

乐观锁并不会使用数据库提供的锁机制，一般在表中添加version字段或者使用业务状态来实现。乐观锁直到提交时才锁定，所以不会产生任何死锁。

9.2、公平锁与非公平锁

根据线程获取锁的抢占机制，锁可以分为公平锁和非公平锁，公平锁表示线程获取锁的顺序是按照线程请求锁的时间早晚来决定的，也就是最早请求锁的线程将最早获取到锁。
而非公平锁则在运行时闯入，也就是先来不一定先得。

ReentrantLock提供了公平和非公平锁的实现。

• 公平锁：ReentrantLock pairLock=new ReentrantLock（true）。

• 非公平锁：ReentrantLock pairLock=new ReentrantLock（false）。如果构造函数不传递参数，则默认是非公平锁。

在没有公平性需求的前提下尽量使用非公平锁，因为公平锁会带来性能开销。

9.3、独占锁与共享锁

根据锁只能被单个线程持有还是能被多个线程共同持有，锁可以分为独占锁和共享锁。

独占锁保证任何时候都只有一个线程能得到锁，ReentrantLock 就是以独占方式实现的。共享锁则可以同时由多个线程持有，例如ReadWriteLock 读写锁，它允许一个资源可以被多线程同时进行读操作。

独占锁是一种悲观锁，由于每次访问资源都先加上互斥锁，这限制了并发性，因为读|
操作并不会影响数据的一致性，而独占锁只允许在同一时间由一个线程读取数据，其他线程必须等待当前线程释放锁才能进行读取。
共享锁则是一种乐观锁，它放宽了加锁的条件，允许多个线程同时进行读操作。

9.4、可重入锁

当一个线程要获取一个被其他线程持有的独占锁时，该线程会被阻塞，那么当一个线程再次获取它自己已经获取的锁时是否会被阻塞呢？如果不被阻塞，那么我们说该锁是可重入的，也就是只要该线程获取了该锁，那么可以无限次数（严格来说是有限次数）地进入被该锁锁住的代码。

实际上，synchronized内部锁是可重入锁。可重入锁的原理是在锁内部维护一个线程示示，用来标示该锁目前被哪个线程占用，然后关联一个计数器。一开始计数器值为0，兑明该锁没有被任何线程占用。当一个线程获取了该锁时，计数器的值会变成1，这时其他线程再来获取该锁时会发现锁的所有者不是自己而被阻塞挂起。

9.5、自旋锁

由于Java中的线程是与操作系统中的线程一一对应的，所以当一个线程在获取锁（比如独占锁）失败后，会被切换到内核状态而被挂起。当该线程获取到锁时又需要将其切换到内核状态而唤醒该线程。而从用户状态切换到内核状态的开销是比较大的，在一定程度上会影响并发性能。自旋锁则是，当前线程在获取锁时，如果发现锁已经被其他线程占有，它不马上阻塞自己，在不放弃CPU使用权的情况下，多次尝试获取（默认次数是10，可以使用-XX:：PreBlockSpinsh参数设置该值），很有可能在后面几次尝试中其他线程已经释放了锁。如果尝试指定的次数后仍没有获取到锁则当前线程才会被阻塞挂起。由此看来自旋锁是使用CPU时间换取线程阻塞与调度的开销，但是很有可能这些CPU时间白白浪费了。