0%

Java高并发：基本概念

发表于 更新于 分类于
主要介绍了Java底层的基础知识，也算是学习高并发的基础知识，其中涉及到JMM，以及两个常用的关键子volatile和synchronized，以及CAS无锁算法，通过深入了解这些点，从而了解高并发会遇到哪些问题，进而开始深入学习并发编程。

JVM

Java虚拟机 (Java Virtual Machine)

JMM

Java内存模型 (Java Memory Model)，简称JMM 本身是一种抽象的概念，并不真实存在，它描述的是一组规则或规范，通过这组规范定义了程序中各个变量（包括实例字段，静态字段和构成数组对象的元素）的访问方式。

JMM对于同步的规定：

  1. 线程解锁前，必须把共享变量的值刷新成主内存
  2. 线程加锁前，必须读取主内存的最新值到自己的工作内存
  3. 加锁和解锁是同一把锁

主内存是共享内存区域，是所有线程都可以访问的，也就是我们常说的内存。但是线程对变量的操作(读取赋值等)必须在工作内存中进行，首先就是将变量从主内存拷贝到自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后再将变量写回主内存。每个线程都有自己的工作空间，线程间的工作内存不能互相访问。至于为什么要拷贝，主要因为CPU的效率远远高于内存。拷贝到自己的工作内存，实际上就是拷贝到CPU的缓存中去。

JMM特性：

  1. 可见性
  2. 原子性
  3. 有序性

volatile

英[ˈvɒlətaɪl]，美[ˈvɑːlətl]

是Java虚拟机提供的轻量级的同步机制，有三大特性：

  1. 保证可见性
  2. 不保证原子性 (synchronized保证原子性)
  3. 禁止指令重排序

可见性与非原子性

可见性就是一个线程修改了主内存的时候，其他线程马上获得通知。

如何解决非原子性问题？比如i++，推荐使用AtomicInteger这些类，其次可以使用synchronized之类的解决方法

指令重排

计算机在执行程序的时候，为了提高性能，编译器和处理器会对指令做重排： 【1.源代码 –> 2.编译器优化的重排 –> 3.指令并行的重排 –> 4.内存系统的重排 –> 最终执行的指令】 其中2,3,4都有可能发生指令重排

  1. 单线程环境里面也会有指令重排，但是会确保执行结果和代码顺序执行的结果一致，所以指令重排在单线程下完全没有问题
  2. 处理器在进行指令重排序的时候必须要考虑指令之间的数据依赖性
  3. 多线程环境中线程交替执行，由于编译器优化重排的存在，两个线程中使用的变量能否保证一致性是无法确定的，结果无法预测

指令重排序可能引入的问题，如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
public class ReSortDemo {
    int a = 0;
    boolean flag = false;

    public void fun01() {
        a = 1;  // 语句1
        flag = true;  // 语句2
    }

    public int fun02 {
        if (flag) {fuzhi   // 语句4
        }
    }
}

想象一下，多线程场景，fun01方法内部语句发生指令重排(因为a和flag没有数据依赖性)，变成先执行语句2再执行语句1。当先执行完语句2还没有执行语句1的时候，另外线程执行fun02方法，此时由于flag==true所以会执行里面的语句3，并且打印5,因为语句1a=1还没有执行，所以结果是5。预期的结果应该是6，发生线程不安全问题。解决方法就是给变量加上volatile修饰符。

volatile应用于懒汉单例，就是因为指令重排问题

CAS

Compare And Swap 介绍

可以通过Java中AtomicInteger类中的getAndIncrement方法来理解

1
2
3
4
5
6
7
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
    int v;
    do {
        v = getIntVolatile(o, offset);
    } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
    return v;
}

比如我想i++，原先i=5，先做运算然后赋值，赋值时比较下当前i是不是还是5，如果i还是5，就直接赋值了，如果不是，说明其他线程做了修改，就需要将这个新的值重新运算,再判断赋值，如果原先的值又变了，再运算判断赋值…

CAS优点

不需要加锁，也就减少线程上下文切换带来的消耗，线程切换好像设计内核态和用户态，这个以后再补充。// TODO

CAS有哪些缺点以及问题

1. 一直循环问题

会锁升级，计算机已经做了优化，不需要在代码中体现

2. ABA问题

Java中的AtomicStampedReference类有解决这个问题，原理是加了一个stamp，相当于一个版本号，如果有修改，版本号就会有变化，这样当从A->B->A就会知道修改过。如果不在意这种修改，其实是可以不用使用stamp的，如果在意这种修改就可以使用这种方法。