java并发编程之美——高级篇

一、Java中的原子性操作

原子性：指一系列操作要么都执行，要么都不执行。在设计计数器时一般都先读取当前值，然后+1，再更新。这个过程是一读一写一改的过程。如果不能保证这个过程的原子性，就会出现线程安全问题。

如何实现原子性呢？

（1）synchronized,内存可见性和原子性。但是synchronized是独占锁，没有获得内部锁的线程会被阻塞。使用这个关键字的代码块，同一时间只能有一个线程可以调用，这显然大大降低了并发性。

（2）内部使用非阻塞CAS算法实现。

Java中的CAS(Compare And Swap)操作：是JDK提供的非阻塞原子性操作，它是通过硬件层面保证了比较——更新操作的原子性。JDK的Unsafe类提供了一系列的CAS方法，以compareAndSwapLong方法为例进行简单介绍：

var1 对象内存位置 var2对象中的变量的偏移量 var4 变量预期值 var6变量新的值

操作的含义是：比较对象中的变量的偏移量是否和预期值相等，相等则更新为新的值。

关于CAS操作有个经典的ABA问题，具体如下：

如何避免ABA问题产生：变量只能向一个方向修改，每个变量加入时间戳可以解决ABA问题。

Unsafe类：Unsafe类是rt.jar包中的硬件级别的原子性操作，放法都是native，通过jni方式访问本地c++实现库。下面了解几个重要的方法：

（1）

返回指定的变量在所属类中的内存偏移量。

（2）

返回数组中第一个元素的地址

（3）

返回数组中第一个元素占用的字节

（4）

比较对象中偏移量为var2的变量是否与期望值var4相等，相等则使用var6进行更新

（5）

返回对象var1中偏移量为var2的对应的volatile语义的值

（6）

设置var1对象中偏移量为var2的变量的值为var4，支持volatile语义。

（7）

设置var1对象中偏移量为var2的变量的值为var4，这是一个有延迟的putLongVoldtile,并且不保证修改对其他线程立刻可见。

（8）

var1为false，且var2大于0表示一直阻塞。var1为true,var2>0表示阻塞var2时间。

（9）

唤醒被park阻塞的线程。

（10）

JDK8新增的函数。获取对象var1中偏移量为var2的变量volatile语义的当前值，并设置volatile语义值为var4.这里使用while循环考虑到多个线程同时调用的情况下CAS失败需要重试；

（11）

获取获取对象var1中偏移量为var2的变量volatile语义的当前值，并设置volatile语义值为原变量+var4.

如何使用Unsafe,由于rt.jar包的类是使用BootStrap类加载器加载localClass.而main函数所在的类是使用AppClassLoader加载的。所以在main函数里面加载Unsafe类时，根据委托机制，会委托给BootStrap加载Unsafe类。可以通过反射来调用Unsafe的实例方法。

二、关于锁

（1）乐观锁和悲观锁

乐观锁和悲观锁是在数据库中引用的名词，并且在并发包锁里面也引入了类似的思想。

悲观锁：指数据被外界修改保持保守态度，认为数据很容易被其他线程修改，因此在数据被处理前就对数据进行加锁，并且在整个数据处理过程中，使数据处于锁定状态。悲观锁的实现往往借助于数据库提供的锁机制。

乐观锁是相对于悲观锁来说的，它认为数据在一般情况下不会引起冲突，所以在访问数据前不会加排他锁。只有在进行数据提交更新时，才会对数据冲突与否进行检测。乐观锁并不使用数据库提供的锁机制，一般在表中添加业务状态来实现。乐观锁直到提交时才锁定，所以不会造成死锁。

（2）公平锁和非公平锁

根据获取锁的抢占机制，锁可以分为公平锁和非公平锁。公平锁表示线程获取锁是通过请求锁的时间早晚决定。而非公平锁是在运行时闯入，所以先来比一定先得。

ReentrantLock提供了公平锁和非公平锁的实现。

公平锁： ReentraintLock lock = new ReentraintLock(true);

非公平锁： ReentraintLock lock = new ReentraintLock(false);

公平锁性能开销比较高。

（3）独占锁与共享锁

独占锁是同一时间只能有一个线程持有锁。共享锁是同一时间可以有多个线程持有该锁。

独占锁是悲观锁，共享锁是乐观锁。

（4）可重入锁

一个线程可以再次获取自己的锁，就是可重入锁

（5）自旋锁

当前线程在获取锁时，如果发现被其他线程占用，并不马上阻塞，在不放弃cup使用权的情况下，多次尝试获取锁，达到指定次数还没有获取到该锁，才会阻塞自己。

三、Java并发包ThreadLocalRandon类原理剖析

ThreadLocalRandom类是jdk7在juc包下新增的随机数生成器，它弥补了Random类在多线程下的缺陷。下面讲解为何要在JUC下新增该类，以及该类的实现原理

1.Random类的缺陷

生成0-5的随机数。

根据老的

l种子生成新的种子，然后根据新的种子来计算新的种子，然后根据新的种子来计算随机数新的随机数。

多线程下，会有多个线程生成相同的种子。然后拿相同的种子去继续执行，换取随机数。

获取新的种子，旧的种子，然后通过CAS操作用新的种子去更新老的种子。然后根据老的种子生成随机数。

总结：每个Random实例里面都有一个原子性的种子变量用来记录当前的种子值，当要生成新的随机数时，需要根据当前种子计算新的种子，并更新回原子变量。党多线程同时计算随机数时，多个线程竞争同一个原子变量，由于使用CAS，会有多个线程会阻塞，影响并发性，因此ThreadLocalRandom遍应运而生了。

2.ThreadLocalRandom

它是通过每一个线程复制一份变量，每个线程操作的是本地的副本，从而避免了对共享变量进行同步。

源码分析：

ThreadLocalRadom extends Random

ThreadLocalRandom类继承Random,通过current方法初始化种子。当调用nextInt方法时，实际上是获取当前线程的threadLocalRandomSeed变量作为当前种子来计算新的种子，然后更新新的种子到当前的threadLocalRandomSeed,然后根据新的种子来计算新的随机数，注意：这个对象是Thread类里边的一个变量，这里并不是原子性变量，因为这个变量是线程级别的，所以并不需要使用原子性变量。