（一）juc线程高级特性——volatile / CAS算法 / ConcurrentHashMap
1. volatile 关键字与内存可见性
内存可见性（Memory Visibility）是指当某个线程正在使用对象状态而另一个线程在同时修改该状态，需要确保当一个线程修改了对象状态后，其他线程能够看到发生的状态变化。
可见性错误是指当读操作与写操作在不同的线程中执行时，我们无法确保执行读操作的线程能适时地看到其他线程写入的值，有时甚至是根本不可能的事情。
定义线程类ThreadDemo，功能是将boolean型变量flag的值修改
class ThreadDemo implements Runnable { private volatile boolean flag = false; @Override public void run() { try { Thread.sleep(200); } catch (InterruptedException e) { } flag = true; System.out.println("flag=" + isFlag()); } public boolean isFlag() { return flag; } public void setFlag(boolean flag) { this.flag = flag; } }
测试：线程1修改ThreadDemo类中 flag的值（由false修改为true），线程main方法判断 flag的值，当为true时输出信息，并停止
public class TestVolatile { //线程main方法判断boolean值，当为true时输出“------------” 并停止线程 public static void main(String[] args) { ThreadDemo td = new ThreadDemo(); //线程1为ThreadDemo的run方法，将boolean值由false改为true new Thread(td).start(); while(true){ if(td.isFlag()){ System.out.println("------------------"); break; } } } }
运行如下：
即由于可见性错误导致线程main方法读取到主存中的flag值并不是线程1修改后的值（读取操作发生在线程1将flag值写入主存之前）。
解决方法：
（1）使用同步锁synchronized，让线程main重复的到主存中读取数据，但是当多线程操作时，效率很低
synchronized (td) { if(td.isFlag()){ System.out.println("------------------"); break; } }
（2）使用volatile 变量，用来确保将变量的更新操作通知到其他线程
private volatile boolean flag = false;
可以将 volatile 看做一个轻量级的锁，但是又与锁有些不同：
- 对于多线程，不是一种互斥关系
- 不能保证变量状态的“原子性操作”
2. 原子变量与 CAS 算法
以 i++为例，i++操作实际上分为三个步骤
//i++ 的原子性问题： int i = 10; i = i++; //10 //i++ 的操作实际上分为三个步骤“读-改-写” int temp = i; i = i + 1; i = temp;
测试如下：
public class TestAtomicDemo { public static void main(String[] args) { AtomicDemo ad = new AtomicDemo(); //创建10个线程对serialNumber值进行增加操作 for (int i = 0; i < 10; i++) { new Thread(ad).start(); } } } class AtomicDemo implements Runnable{ //声明volatile变量 private volatile int serialNumber = 0; @Override public void run() { try { Thread.sleep(200); } catch (InterruptedException e) { } System.out.println(getSerialNumber()); } //对变量进行i++操作 public int getSerialNumber(){ return serialNumber++; } }
可能会出现如下结果：
原因为 volatile只能保证内存可见性，但是线程1和线程2中进行的 i++操作却分好几个步骤，即不能保证变量状态的“原子性操作”。
解决方法：
使用原子变量（在 java.util.concurrent.atomic 包下）
// private volatile int serialNumber = 0; private AtomicInteger serialNumber = new AtomicInteger(0); public int getSerialNumber(){ // return serialNumber++; return serialNumber.getAndIncrement(); }
以 AtomicInteger分析原子变量的实现
（1）volatile 保证内存可见性
（2）CAS（Compare-And-Swap） 算法保证数据变量的原子性
CAS (Compare-And-Swap) 是一种硬件对并发的支持，针对多处理器操作而设计的处理器中的一种特殊指令，用于管理对共享数据的并发访问。
CAS 是一种无锁的非阻塞算法的实现。
CAS 包含了 3 个操作值：
- 需要读写的内存值 V
- 进行比较的值 A
- 拟写入的新值 B
当且仅当 V 的值等于 A 时，CAS 通过原子方式用新值 B 来更新 V 的值，否则不会执行任何操作。
可通过源码查看sun.misc.Unsafe.class中的getAndAddInt方法实现来理解CAS算法
public final int getAndAddInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt) { int i; do { i = getIntVolatile(paramObject, paramLong); } while (!compareAndSwapInt(paramObject, paramLong, i, i + paramInt)); return i; }
3. 模拟CAS算法
/* * 模拟 CAS 算法 */ public class TestCompareAndSwap { public static void main(String[] args) { final CompareAndSwap cas = new CompareAndSwap(); for (int i = 0; i < 10; i++) { new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { int expectedValue = cas.get(); boolean b = cas.compareAndSet(expectedValue, (int)(Math.random() * 101)); System.out.println(b); } }).start(); } } } class CompareAndSwap{ private int value; //获取内存值 public synchronized int get(){ return value; } //比较 public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue){ int oldValue = value; if(oldValue == expectedValue){ this.value = newValue; } return oldValue; } //设置 public synchronized boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue){ return expectedValue == compareAndSwap(expectedValue, newValue); } }
4. 同步容器类 ConcurrentHashMap
Java 5.0 在 java.util.concurrent 包中提供了多种并发容器类来改进同步容器的性能。
ConcurrentHashMap 同步容器类是Java 5 增加的一个线程安全的哈希表。对与多线程的操作，介于 HashMap 与 Hashtable 之间。内部采用“锁分段”机制（可理解为“并行”）替代 Hashtable 的独占锁（相当于“串行”），进而提高性能。
注意：jdk1.8之后ConcurrentHashMap底层采用的 CAS算法 取代“锁分段”机制。
此包还提供了设计用于多线程上下文中的 Collection 实现：
ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap、ConcurrentSkipListSet、CopyOnWriteArrayList 和 CopyOnWriteArraySet。
- 当期望许多线程访问一个给定 collection 时，ConcurrentHashMap 通常优于同步的 HashMap，ConcurrentSkipListMap 通常优于同步的 TreeMap。
- 当期望的读数和遍历远远大于列表的更新数时，CopyOnWriteArrayList 优于同步的 ArrayList。
/* * CopyOnWriteArrayList/CopyOnWriteArraySet : “写入并复制” * 注意：添加操作多时，效率低，因为每次添加时都会进行复制，开销非常的大。并发迭代操作多时可以选择。 */ public class TestCopyOnWriteArrayList { public static void main(String[] args) { HelloThread ht = new HelloThread(); for (int i = 0; i < 10; i++) { new Thread(ht).start(); } } } class HelloThread implements Runnable{ // 使用ArrayList，报错java.util.ConcurrentModificationException // private static List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<String>()); private static CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>(); static{ list.add("AA"); list.add("BB"); list.add("CC"); } @Override public void run() { Iterator<String> it = list.iterator(); while(it.hasNext()){ //迭代和add方法操作同一个数据源 System.out.println(it.next()); list.add("AA"); } } }
