并发设计模式和锁优化以及jdk8并发新特性

1 设计模式

（1） 单例模式 

     保证一个类只能一个对象实现。正常的单例模式分为懒汉式和饿汉式，饿汉式就是把单例声明称static a=new A(),系统第一次调用的时候生成（包括调用该类的其他静态资源也会生成），懒汉式就是系统调用get函数的时候，加个锁判断单例对象是否存在，存在就返回不存在就声明一个。好一点的懒汉式应该把单例加一个静态内部类，第一次访问的类的时候静态内部类不会初始化，当调用的get方法的时候再实例化，这样不用加锁效率高一些，

 public class StaticSingleton {

　　 private StaticSingleton(){

　　 　　System.out.println("StaticSingleton is create");

　　}

　　 private static class SingletonHolder {

　　　　 private static StaticSingleton instance = new StaticSingleton();

　　 }

　　 public static StaticSingleton getInstance() {

　　　　 return SingletonHolder.instance;

　　 }

（2）不变模式  类和变量都声明为final，只要创建就不可变，常见的string Integer Double等都是不可变。

（3） future模式  客户端请求服务端数据，如果服务端处理时间较长，可以返回一个空值（类似代理），启动一个线程专门设值。客户端可以先干别的，当想要试用这个值时，可以从代理里拿，如果代理值已经设置好直接返回，如果没设置好则wait，等设置好了的时候notify。  可以向excutor里提交一个实现了Collable的对象，会返回一个Future,然后使用这个future.get()拿值。

（4） 生产者消费者模式  专门有生产者生产数据，消费者消费数据，中间靠线程安全的队列作为公共区域，各线程都从这个区域里写值和读值。各个线程无需了解对存在，只要负责自己的事情即可，也符合开闭原则。

2 锁优化 

   具体思路：减少锁持有时间，减小锁粒度，锁分离，锁粗化，锁消除。

    （1）减少锁持有时间  尽量少的加锁代码，例如用具体代码段代替方法加锁。 

 　（2）减小锁粒度   把大对象尽量改成小对象，增加并行度减少锁竞争。同时有利于偏向锁，轻量级锁。例如ConcurrentHashMap

　 （3）锁分离   读写分离，读读可重入，读写互斥，写写互斥。另一种分离，例如 LinkedBlockingQueue ，存数据和取数据从队列两端操作，两端各自加锁控制即可，两端的锁互不影响。

    （4）锁粗化 如果一段程序要多次请求锁，锁之间的代码执行时间比较少，就应该整合成一个锁，前提是不用同步的部分执行时间短。例如for循环里面申请锁，如果for循环时间不长，可以在for外面加锁。

    （5）锁消除 编译器级别的操作，如果jdk发现锁不可能被共享，会擦除这个锁。原理是逃逸分析，例如stringbuffer，本身操作是加锁的，如果只在局部使用不存在并发访问，那么会擦除锁，如果对象逃逸出去例如赋值给全局变量等，面临并发访问，就不会擦除锁。可以通过jvm参数来指定是否使用锁消除。

3 jdk的锁优化  sychronized的优化，由虚拟机完成 

  （1）偏向锁  在竞争比较少的情况下，会使用偏向锁来提高性能。

       *对象头 markword，共32位，存hash，锁信息（指向锁的指针），垃圾回收标志（偏向锁id），年龄信息，偏向锁线程id，monitor信息等。

 

　　一个线程争取到对象资源时，对象会在对象头中标记为偏向，并且将线程id写入到对象头中，下次如果这个线程再来可以不通过锁竞争直接进入同步块。当其他线程访问的时候，偏向结束，升级为轻量级锁。所以在竞争激烈的场景下偏向锁会增加系统负担，jvm默认是开启偏向锁的，可以通过jvm参数设置取消偏向锁   

      *偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令，在只有一个线程执行同步块时进一步提高性能。

  （2）轻量级锁 轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的情况，如果存在同一时间访问同一锁的情况，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

　　　轻量级锁的加锁过程 ：

　　    1）在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态（偏向锁也是无锁），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝。

　　    2）拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中。

　　    3）拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，并将Lock record里的owner指针指向object mark word。

　　    4）如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为处于轻量级锁定状态。

　　   5）如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行。否则说明多个线程竞争锁，轻量级锁就要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。 而当前线程便尝试使用自旋来获取锁，自旋就是为了不让线程阻塞，而采用循环去获取锁的过程。

      轻量级锁解锁时，把复制的对象头替换回去（cas）如果替换成功，锁结束，如果失败，说明有竞争，升级为重量级锁（先会自旋一下等等看），notify 唤醒其他等待线程。

　　* 轻量级锁是为了在线程交替执行同步块时提高性能。         

  （3）自旋锁

          轻量级锁加锁失败以后，可能先自旋一段时间，尝试获得轻量级锁，不会着急升级为重量级锁挂起。如果自旋过多，会造成cpu资源浪费，JDK采用了适应性自旋，简单来说就是一开始设置固定自旋次数，线程如果自旋成功了，则下次自旋的次数会更多，如果自旋失败了，则自旋的次数就会减少。

       *自旋如果成功，可以省略线程挂起的时间。jdk7以后默认使用。

3 jdk8新特性

 （1）LongAdder  类似automicLong, 但是提供了“热点分离”。过程如下：如果并发不激烈，则与automicLong 一样，cas赋值。如果出现并发操作，则使用数组，数组的各元素之和为真实value，让操作分散在数组各个元素上，把并发操作压力分散，一遇到并发就扩容数组，最后达到高效率。一般cas如果遇到高并发，可能一直赋值失败导致不断循环，热点分离可以解决这个问题。有点类似concurrenthashmap，分而治之。

 （2）completableFuture 对Future进行增强，支持函数式编程的流式调用。提供更多功能，压缩编码量。

 （3）stampedLock 改进读写锁，读不阻塞写。如果读的时候，发生了写，应该重新读，不是阻塞写。解决了一般读写锁读太多导致写一直阻塞的问题，读线程发现数据不一致时触发重新读操作。 原理是维护了一个stamp标记，在添加写锁的释放写锁的时候，stamp都会改变（比如++），代码在加读锁的时候，可以先得到stamp，读完数据释放读锁的时候，调用validate方法，检验刚才stamp和现在stamp是否相同，如果相同，说明读的过程中没有修改，读取成功，如果不相同，则说明读的时候发生了写，那么接下来两种策略，一个是继续用当前stamp为初试，继续读，读完比较stamp，是乐观的办法；另一种直接调用readlock（），升级为正常的读锁，是悲观办法。