多线程与JUC（https://www.yuque.com/qingkongxiaguang/javase/vd60g5）

原子性：一个操作或多个操作要么全部执行，且执行过程不会被任何因素打断，包括其他线程，要么全部不执行

可见性：多个线程访问统一变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值

有序性：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行

 

 

守护线程：其他非守护线程结束时，守护线程自动结束

 

 每个线程都有自己独立的工作内存，从主内存中copy内容保存在工作内存中，也就导致了多个线程对同一变量进行写操作时的问题

 

JMM（Java Memory Model）内存模型规定如下：

  • 所有的变量全部存储在主内存（注意这里包括下面提到的变量，指的都是会出现竞争的变量，包括成员变量、静态变量等，而局部变量这种属于线程私有，不包括在内）
  • 每条线程有着自己的工作内存（可以类比CPU的高速缓存）线程对变量的所有操作，必须在工作内存中进行，不能直接操作主内存中的数据。
  • 不同线程之间的工作内存相互隔离，如果需要在线程之间传递内容，只能通过主内存完成，无法直接访问对方的工作内存。

也就是说，每一条线程如果要操作主内存中的数据，那么得先拷贝到自己的工作内存中，并对工作内存中数据的副本进行操作，操作完成之后，也需要从工作副本中将结果拷贝回主内存中，具体的操作就是Save（保存）和Load（加载）操作。

 

 

 

JUC

（1）锁机制的原理：

 

　　

其中最关键的就是monitorenter指令了，可以看到之后也有monitorexit与之进行匹配（注意这里有2个），monitorenter和monitorexit分别对应加锁和释放锁，在执行monitorenter之前需要尝试获取锁，每个对象都有一个monitor监视器与之对应，而这里正是去获取对象监视器的所有权，一旦monitor所有权被某个线程持有，那么其他线程将无法获得（管程模型的一种实现）。

 

在代码执行完成之后，我们可以看到，一共有两个monitorexit在等着我们，那么为什么这里会有两个呢，按理说monitorenter和monitorexit不应该一一对应吗，这里为什么要释放锁两次呢？

 

首先我们来看第一个，这里在释放锁之后，会马上进入到一个goto指令，跳转到15行，而我们的15行对应的指令就是方法的返回指令，其实正常情况下只会执行第一个monitorexit释放锁，在释放锁之后就接着同步代码块后面的内容继续向下执行了。而第二个，其实是用来处理异常的，可以看到，它的位置是在12行，如果程序运行发生异常，那么就会执行第二个monitorexit，并且会继续向下通过athrow指令抛出异常，而不是直接跳转到15行正常运行下去。

 实际上synchronized使用的锁就是存储在Java对象头中的，我们知道，对象是存放在堆内存中的，而每个对象内部，都有一部分空间用于存储对象头信息，而对象头信息中，则包含了Mark Word用于存放hashCode和对象的锁信息，在不同状态下，它存储的数据结构有一些不同。

 

 

 

（2）重量级锁：

　　我们说了，每个对象都有一个monitor与之关联，在Java虚拟机（HotSpot）中，monitor是由ObjectMonitor实现的：

复制代码
ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; //记录个数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;
    _WaitSet      = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
}
复制代码

ObjectWaiter首先会进入 Entry Set等着，当线程获取到对象的monitor后进入 The Owner 区域并把monitor中的owner变量设置为当前线程，同时monitor中的计数器count加1，若线程调用wait()方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复为null，count自减1，同时该线程进入 WaitSet集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放monitor并复位变量的值，以便其他线程进入获取对象的monitor。

 

 

在JDK1.4.2时，引入了自旋锁（JDK6之后默认开启），它不会将处于等待状态的线程挂起，而是通过无限循环的方式，不断检测是否能够获取锁，由于单个线程占用锁的时间非常短，所以说循环次数不会太多，可能很快就能够拿到锁并运行，这就是自旋锁。当然，仅仅是在等待时间非常短的情况下，自旋锁的表现会很好，但是如果等待时间太长，由于循环是需要处理器继续运算的，所以这样只会浪费处理器资源，因此自旋锁的等待时间是有限制的，默认情况下为10次，如果失败，那么会进而采用重量级锁机制。

 在JDK6之后，自旋锁得到了一次优化，自旋的次数限制不再是固定的，而是自适应变化的，比如在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行，那么这次自旋也是有可能成功的，所以会允许自旋更多次。当然，如果某个锁经常都自旋失败，那么有可能会不再采用自旋策略，而是直接使用重量级锁。

 

（3）轻量级锁：

轻量级锁的目标是，在无竞争情况下，减少重量级锁产生的性能消耗（并不是为了代替重量级锁，实际上就是赌一手同一时间只有一个线程在占用资源），包括系统调用引起的内核态与用户态切换、线程阻塞造成的线程切换等。它不像是重量级锁那样，需要向操作系统申请互斥量。它的运作机制如下：

 

在即将开始执行同步代码块中的内容时，会首先检查对象的Mark Word，查看锁对象是否被其他线程占用，如果没有任何线程占用，那么会在当前线程中所处的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于复制并存储对象目前的Mark Word信息（官方称为Displaced Mark Word）。

 

接着，虚拟机将使用CAS操作将对象的Mark Word更新为轻量级锁状态（数据结构变为指向Lock Record的指针，指向的是当前的栈帧）

 

如果CAS操作失败了的话，那么说明可能这时有线程已经进入这个同步代码块了，这时虚拟机会再次检查对象的Mark Word，是否指向当前线程的栈帧，如果是，说明不是其他线程，而是当前线程已经有了这个对象的锁，直接放心大胆进同步代码块即可。如果不是，那确实是被其他线程占用了。

 

这时，轻量级锁一开始的想法就是错的（这时有对象在竞争资源，已经赌输了），所以说只能将锁膨胀为重量级锁，按照重量级锁的操作执行（注意锁的膨胀是不可逆的）

 

所以，轻量级锁 -> 失败 -> 自适应自旋锁 -> 失败 -> 重量级锁

 

解锁过程同样采用CAS算法，如果对象的MarkWord仍然指向线程的锁记录，那么就用CAS操作把对象的MarkWord和复制到栈帧中的Displaced Mark Word进行交换。如果替换失败，说明其他线程尝试过获取该锁，在释放锁的同时，需要唤醒被挂起的线程。

 

（4）偏向锁：

偏向锁相比轻量级锁更纯粹，干脆就把整个同步都消除掉，不需要再进行CAS操作了。它的出现主要是得益于人们发现某些情况下某个锁频繁地被同一个线程获取，这种情况下，我们可以对轻量级锁进一步优化。

 

偏向锁实际上就是专门为单个线程而生的，当某个线程第一次获得锁时，如果接下来都没有其他线程获取此锁，那么持有锁的线程将不再需要进行同步操作。

 

可以从之前的MarkWord结构中看到，偏向锁也会通过CAS操作记录线程的ID，如果一直都是同一个线程获取此锁，那么完全没有必要在进行额外的CAS操作。当然，如果有其他线程来抢了，那么偏向锁会根据当前状态，决定是否要恢复到未锁定或是膨胀为轻量级锁。

 

如果我们需要使用偏向锁，可以添加-XX:+UseBiased参数来开启。

 

所以，最终的锁等级为：未锁定 < 偏向锁 < 轻量级锁 < 重量级锁

 

值得注意的是，如果对象通过调用hashCode()方法计算过对象的一致性哈希值，那么它是不支持偏向锁的，会直接进入到轻量级锁状态，因为Hash是需要被保存的，而偏向锁的Mark Word数据结构，无法保存Hash值；如果对象已经是偏向锁状态，再去调用hashCode()方法，那么会直接将锁升级为重量级锁，并将哈希值存放在monitor（有预留位置保存）中。

 

（5）锁消除和锁粗化：

锁消除和锁粗化都是在运行时的一些优化方案，比如我们某段代码虽然加了锁，但是在运行时根本不可能出现各个线程之间资源争夺的情况，这种情况下，完全不需要任何加锁机制，所以锁会被消除。锁粗化则是我们代码中频繁地出现互斥同步操作，比如在一个循环内部加锁，这样明显是非常消耗性能的，所以虚拟机一旦检测到这种操作，会将整个同步范围进行扩展。

 

（6）Java中缓存不一致的问题

复制代码
public class Main {
    private static int i = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 100000; j++) i++;
            System.out.println("线程1结束");
        }).start();
        new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 100000; j++) i++;
            System.out.println("线程2结束");
        }).start();
        //等上面两个线程结束
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(i);
    }
}
复制代码

可以看到这里是两个线程同时对变量i各自进行100000次自增操作，但是实际得到的结果并不是我们所期望的那样。

在之前学习了JVM之后，相信各位应该已经知道，自增操作实际上并不是由一条指令完成的（注意一定不要理解为一行代码就是一个指令完成的）

包括变量i的获取、修改、保存，都是被拆分为一个一个的操作完成的，那么这个时候就有可能出现在修改完保存之前，另一条线程也保存了，但是当前线程是毫不知情的。

所以说，我们当时在JavaSE阶段讲解这个问题的时候，是通过synchronized关键字添加同步代码块解决的

 

（7）指令重排

在编译或执行时，为了优化程序的执行效率，编译器或处理器常常会对指令进行重排序，有以下情况：

  1. 编译器重排序：Java编译器通过对Java代码语义的理解，根据优化规则对代码指令进行重排序。
  1. 机器指令级别的重排序：现代处理器很高级，能够自主判断和变更机器指令的执行顺序。

 

（8）volatile关键字

复制代码
public class Main {
    private static int a = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            while (a == 0);
            System.out.println("线程结束！");
        }).start();

        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("正在修改a的值...");
        a = 1;   //很明显，按照我们的逻辑来说，a的值被修改那么另一个线程将不再循环
    }
}
复制代码

实际上这就是我们之前说的，虽然我们主线程中修改了a的值，但是另一个线程并不知道a的值发生了改变，所以循环中依然是使用旧值在进行判断，因此，普通变量是不具有可见性的。

为什么不知情，见上文

而解决方法，除了加上锁之外，也可以对a加上volatile关键字，此关键字的第一个作用，就是保证变量的可见性。当写一个volatile变量时，JMM会把该线程本地内存中的变量强制刷新到主内存中去，并且这个写会操作会导致其他线程中的volatile变量缓存无效，这样，另一个线程修改了这个变时，当前线程会立即得知，并将工作内存中的变量更新为最新的版本。

但volatile关键字并不能保证原子性，也就是两个线程操作一个变量而不加任何锁进行控制时，依旧会出现问题。

但volatile关键字能够保证不会出现指令重排的情况

 

（9）happens-before原则

JMM提出了happens-before（先行发生）原则，定义一些禁止编译优化的场景，来向各位程序员做一些保证，只要我们是按照原则进行编程，那么就能够保持并发编程的正确性。具体如下：
  • 程序次序规则：同一个线程中，按照程序的顺序，前面的操作happens-before后续的任何操作。
    • 同一个线程内，代码的执行结果是有序的。其实就是，程序可能会发生指令重排，但是保证代码的执行结果一定是和按照顺序执行得到的一致，程序前面对某一个变量的修改一定对后续操作可见的，不可能会出现前面才把a修改为1，接着读a居然是修改前的结果，这也是程序运行最基本的要求。
  • 监视器锁规则：对一个锁的解锁操作，happens-before后续对这个锁的加锁操作。
    • 就是无论是在单线程环境还是多线程环境，对于同一个锁来说，一个线程对这个锁解锁之后，另一个线程获取了这个锁都能看到前一个线程的操作结果。比如前一个线程将变量x的值修改为了12并解锁，之后另一个线程拿到了这把锁，对之前线程的操作是可见的，可以得到x是前一个线程修改后的结果12（所以synchronized是有happens-before规则的）
  • volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作happens-before后续对这个变量的读操作。
    • 就是如果一个线程先去写一个volatile变量，紧接着另一个线程去读这个变量，那么这个写操作的结果一定对读的这个变量的线程可见。
  • 线程启动规则：主线程A启动线程B，线程B中可以看到主线程启动B之前的操作。
    • 在主线程A执行过程中，启动子线程B，那么线程A在启动子线程B之前对共享变量的修改结果对线程B可见。
  • 线程加入规则：如果线程A执行操作join()线程B并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before线程Ajoin()操作成功返回。
  • 传递性规则：如果A happens-before B，B happens-before C，那么A happens-before C。

 

核心内容：

　　（1）Lock和Condition接口

　　　　　　

 

 

 

 

 　　　　（2）可重入锁

　　　　　　也就是对于锁而言，可以再多次上锁

　　　　　　

 

 　　　　　　（2.1）公平锁和非公平锁

          • 公平锁：多个线程按照申请锁的顺序去获得锁，线程会直接进入队列去排队，永远都是队列的第一位才能得到锁。
          • 非公平锁：多个线程去获取锁的时候，会直接去尝试获取，获取不到，再去进入等待队列，如果能获取到，就直接获取到锁。

 

 　　　　（3）读写锁

        • 读锁：在没有任何线程占用写锁的情况下，同一时间可以有多个线程加读锁。
        • 写锁：在没有任何线程占用读锁的情况下，同一时间只能有一个线程加写锁。

　　　　　　　　读写锁有一个专门的接口:

　　　　　　　　 public interface ReadWriteLock { //获取读锁 Lock readLock(); //获取写锁 Lock writeLock(); } 

　　　　　　　　此接口有一个实现类ReentrantReadWriteLock（实现的是ReadWriteLock接口，不是Lock接口，它本身并不是锁）

　　　　　　　　注意我们操作ReentrantReadWriteLock时，不能直接上锁，而是需要获取读锁或是写锁，再进行锁操作：　　　　

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    lock.readLock().lock();
    new Thread(lock.readLock()::lock).start();
}

　　　　　　　　　　并且，ReentrantReadWriteLock不仅具有读写锁的功能，还保留了可重入锁和公平/非公平机制，比如同一个线程可以重复为写锁加锁，并且必须全部解锁才真正释放锁：

复制代码
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    lock.writeLock().lock();
    lock.writeLock().lock();
    new Thread(() -> {
        lock.writeLock().lock();
        System.out.println("成功获取到写锁！");
    }).start();
    System.out.println("释放第一层锁！");
    lock.writeLock().unlock();
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    System.out.println("释放第二层锁！");
    lock.writeLock().unlock();
}
复制代码

　　　　　　　　  （3.1）锁降级和锁升级

　　　　　　　　　　锁降级指的是写锁降级为读锁。当一个线程持有写锁的情况下，虽然其他线程不能加读锁，但是线程自己是可以加读锁的：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    lock.writeLock().lock();
    lock.readLock().lock();
    System.out.println("成功加读锁！");
}

　　　　　　　　　　　　那么，如果我们在同时加了写锁和读锁的情况下，释放写锁，是否其他的线程就可以一起加读锁了呢？

复制代码
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    lock.writeLock().lock();
    lock.readLock().lock();
    new Thread(() -> {
        System.out.println("开始加读锁！");
        lock.readLock().lock();
        System.out.println("读锁添加成功！");
    }).start();
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    lock.writeLock().unlock();    //如果释放写锁，会怎么样？
}
复制代码

　　　　　　　　　可以看到，一旦写锁被释放，那么主线程就只剩下读锁了，因为读锁可以被多个线程共享，所以这时第二个线程也添加了读锁。而这种操作，就被称之为"锁降级"（注意不是先释放写锁再加读锁，而是持有写锁的情况下申请读锁再释放写锁）

　　　　　　　　　注意在仅持有读锁的情况下去申请写锁，属于"锁升级"，ReentrantReadWriteLock是不支持的：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    lock.readLock().lock();
    lock.writeLock().lock();
    System.out.println("所升级成功！");
}

 

本文作者：YoProgrammer

本文链接：https://www.cnblogs.com/sakanayo/p/16634990.html

版权声明：本作品采用知识共享署名-非商业性使用-禁止演绎 2.5 中国大陆许可协议进行许可。

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