并發(fā)編程

一裹虫、前言

借用Java并發(fā)編程實(shí)踐中的話"編寫(xiě)正確的程序并不容易，而編寫(xiě)正常的并發(fā)程序就更難了"，相比于順序執(zhí)行的情況壹士，多線程的線程安全問(wèn)題是微妙而且出乎意料的，因?yàn)樵跊](méi)有進(jìn)行適當(dāng)同步的情況下多線程中各個(gè)操作的順序是不可預(yù)期的偿警，本文算是對(duì)多線程情況下同步策略的一個(gè)一個(gè)簡(jiǎn)單介紹躏救。

二、 什么是線程安全問(wèn)題

線程安全問(wèn)題是指當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)讀寫(xiě)一個(gè)狀態(tài)變量螟蒸，并且沒(méi)有任何同步措施時(shí)候盒使，導(dǎo)致臟數(shù)據(jù)或者其他不可預(yù)見(jiàn)的結(jié)果的問(wèn)題。Java中首要的同步策略是使用Synchronized關(guān)鍵字七嫌，它提供了可重入的獨(dú)占鎖少办。

三、 什么是共享變量可見(jiàn)性問(wèn)題

要談可見(jiàn)性首先需要介紹下多線程處理共享變量時(shí)候的Java中內(nèi)存模型诵原。

jmm.png

Java內(nèi)存模型規(guī)定了所有的變量都存放在主內(nèi)存中英妓，當(dāng)線程使用變量時(shí)候都是把主內(nèi)存里面的變量拷貝到了自己的工作內(nèi)存中的。

當(dāng)線程操作一個(gè)共享變量時(shí)候操作流程為：

線程首先從主內(nèi)存拷貝共享變量到自己的工作內(nèi)存
然后對(duì)工作內(nèi)存里的變量進(jìn)行處理
處理完后更新變量值到主內(nèi)存
那么假如線程A和B同時(shí)去處理一個(gè)共享變量绍赛，會(huì)出現(xiàn)什么情況那蔓纠？
首先他們都會(huì)去走上面的三個(gè)流程，假如線程A拷貝共享變量到了工作內(nèi)存惹资，并且已經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了更新但是還沒(méi)有更新會(huì)主內(nèi)存贺纲，這時(shí)候線程B拷貝共享變量到了自己的工內(nèi)存進(jìn)行處理，處理后褪测，線程A才把自己的處理結(jié)果更更新到主內(nèi)存猴誊，可知 線程B處理的并不是線程A處理后的結(jié)果，也就是說(shuō)線程A處理后的變量值對(duì)線程B不可見(jiàn)侮措，這就是共享變量的可見(jiàn)性問(wèn)題懈叹。

構(gòu)成共享變量?jī)?nèi)存不可見(jiàn)原因是因?yàn)槿搅鞒滩皇窃有圆僮鳎旅嬷朗褂们‘?dāng)同步就可以解決這個(gè)問(wèn)題分扎。

我們知道ArrayList是線程不安全的澄成，因?yàn)樗淖x寫(xiě)方法沒(méi)有同步策略，會(huì)導(dǎo)致臟數(shù)據(jù)和不可預(yù)期的結(jié)果畏吓，下面我們就一一講解如何解決墨状。

這是線程不安全的

public class ArrayList<E> 
{

    public E get(int index) {
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }

    public E set(int index, E element) {
        rangeCheck(index);

        E oldValue = elementData(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }
}

四、原子性

4.1 介紹

假設(shè)線程A執(zhí)行操作Ao和線程B執(zhí)行操作Bo 菲饼，那么從A看肾砂，當(dāng)B線程執(zhí)行Bo操作時(shí)候，那么Bo操作全部執(zhí)行宏悦，要么全部不執(zhí)行镐确，我們稱Ao和Bo操作互為原子性操作包吝，在設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器時(shí)候一般都是先讀取當(dāng)前值，然后+1源葫，然后更新會(huì)變量诗越，是讀-改-寫(xiě)的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程必須是原子性的操作息堂。

public class ThreadNotSafeCount {

    private  Long value;

    public Long getCount() {
        return value;
    }

    public void inc() {
        ++value;
    }
}

如上代碼是線程不安全的嚷狞，因?yàn)椴荒鼙ＷC++value是原子性操作。方法一是使用Synchronized進(jìn)行同步如下：

public class ThreadSafeCount {

    private  Long value;

    public synchronized Long getCount() {
        return value;
    }

    public synchronized void inc() {
        ++value;
    }
}

注意储矩，這里不能簡(jiǎn)單的使用volatile修飾value進(jìn)行同步感耙，因?yàn)樽兞恐狄蕾嚵水?dāng)前值

使用Synchronized確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)線程安全，即實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)性和同步持隧，但是Synchronized是獨(dú)占鎖，沒(méi)有獲取內(nèi)部鎖的線程會(huì)被阻塞掉逃片，那么有沒(méi)有剛好的實(shí)現(xiàn)那屡拨？答案是肯定的。

4.2 原子變量類(lèi)

原子變量類(lèi)比鎖更輕巧褥实，比如AtomicLong代表了一個(gè)Long值呀狼，并提供了get,set方法，get损离，set方法語(yǔ)音和volatile相同哥艇，因?yàn)锳tomicLong內(nèi)部就是使用了volatile修飾的真正的Long變量。另外提供了原子性的自增自減操作僻澎，所以計(jì)數(shù)器可以改下為：

public class ThreadSafeCount {

    private  AtomicLong value = new AtomicLong(0L);

    public  Long getCount() {
        return value.get();
    }

    public void inc() {
        value.incrementAndGet();
    }
}

那么相比使用synchronized的好處在于原子類(lèi)操作不會(huì)導(dǎo)致線程的掛起和重新調(diào)度貌踏，因?yàn)樗麅?nèi)部使用的是cas的非阻塞算法。

常用的原子類(lèi)變量為：AtomicLong窟勃，AtomicInteger祖乳，AtomicBoolean,AtomicReference.

五 CAS介紹

CAS 即CompareAndSet，也就是比較并設(shè)置秉氧，CAS有三個(gè)操作數(shù)分別為：內(nèi)存位置眷昆，舊的預(yù)期值，新的值汁咏，操作含義是當(dāng)內(nèi)存位置的變量值為舊的預(yù)期值時(shí)候使用新的值替換舊的值亚斋。通俗的說(shuō)就是看內(nèi)存位置的變量值是不是我給的舊的預(yù)期值，如果是則使用我給的新的值替換他攘滩，如果不是返回給我舊值帅刊。這個(gè)是處理器提供的一個(gè)原子性指令。上面介紹的AtomicLong的自增就是使用這種方式實(shí)現(xiàn)：

public final long incrementAndGet() {
    for (;;) {
        long current = get();（1）
        long next = current + 1;（2）
        if (compareAndSet(current, next))（3）
            return next;
    }
}

public final boolean compareAndSet(long expect, long update) {
    return unsafe.compareAndSwapLong(this, valueOffset, expect, update);
}

假如當(dāng)前值為1轰驳，那么線程A和檢查B同時(shí)執(zhí)行到了（3）時(shí)候各自的next都是2厚掷，current=1弟灼，假如線程A先執(zhí)行了3，那么這個(gè)是原子性操作冒黑，會(huì)把檔期值更新為2并且返回1田绑，if判斷true所以incrementAndGet返回2.這時(shí)候線程B執(zhí)行3，因?yàn)閏urrent=1而當(dāng)前變量實(shí)際值為2,所以if判斷為false抡爹，繼續(xù)循環(huán)掩驱，如果沒(méi)有其他線程去自增變量的話，這次線程B就會(huì)更新變量為3然后退出冬竟。

這里使用了無(wú)限循環(huán)使用CAS進(jìn)行輪詢檢查欧穴，雖然一定程度浪費(fèi)了cpu資源，但是相比鎖來(lái)說(shuō)避免的線程上下文切換和調(diào)度泵殴。

六涮帘、什么是可重入鎖

當(dāng)一個(gè)線程要獲取一個(gè)被其他線程占用的鎖時(shí)候，該線程會(huì)被阻塞笑诅，那么當(dāng)一個(gè)線程再次獲取它自己已經(jīng)獲取的鎖時(shí)候是否會(huì)被阻塞那?如果不需要阻塞那么我們說(shuō)該鎖是可重入鎖调缨，也就是鎖只要該線程獲取了該鎖，那么可以無(wú)限制次數(shù)進(jìn)入被該鎖鎖住的代碼吆你。

先看一個(gè)例子如果鎖不是可重入的弦叶，看看會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題。

public class Hello{
 public Synchronized void helloA(){
    System.out.println("hello");
 }

 public Synchronized void helloB(){
    System.out.println("hello B");
    helloA();
 }

}

如上面代碼當(dāng)調(diào)用helloB函數(shù)前會(huì)先獲取內(nèi)置鎖妇多，然后打印輸出伤哺，然后調(diào)用helloA方法，調(diào)用前會(huì)先去獲取內(nèi)置鎖者祖，如果內(nèi)置鎖不是可重入的那么該調(diào)用就會(huì)導(dǎo)致死鎖了立莉，因?yàn)榫€程持有并等待了鎖導(dǎo)致helloB永遠(yuǎn)不會(huì)獲取內(nèi)置鎖。

實(shí)際上內(nèi)部鎖是可重入鎖咸包，例如synchronized關(guān)鍵字管理的方法桃序，可重入鎖的原理是在所內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)線程標(biāo)示標(biāo)示該鎖目前被那個(gè)線程占用，然后關(guān)聯(lián)一個(gè)計(jì)數(shù)器烂瘫，一開(kāi)始計(jì)數(shù)器值為0媒熊，說(shuō)明該鎖沒(méi)有被任何線程占用，當(dāng)一個(gè)線程獲取了該鎖坟比，計(jì)數(shù)器會(huì)變成1芦鳍，其他線程在獲取該鎖時(shí)候發(fā)現(xiàn)鎖的所有者不是自己所以被阻塞，但是當(dāng)獲取該鎖的線程再次獲取鎖時(shí)候發(fā)現(xiàn)鎖擁有者是自己會(huì)把計(jì)數(shù)器值+1葛账， 當(dāng)釋放鎖后計(jì)數(shù)器會(huì)-1柠衅，當(dāng)計(jì)數(shù)器為0時(shí)候，鎖里面的線程標(biāo)示重置為null,這時(shí)候阻塞的線程會(huì)獲取被喚醒來(lái)獲取該鎖籍琳。

七菲宴、Synchronized關(guān)鍵字

7.1 Synchronized介紹

synchronized塊是Java提供的一種強(qiáng)制性內(nèi)置鎖贷祈，每個(gè)Java對(duì)象都可以隱式的充當(dāng)一個(gè)用于同步的鎖的功能，這些內(nèi)置的鎖被稱為內(nèi)部鎖或者叫監(jiān)視器鎖喝峦，執(zhí)行代碼在進(jìn)入synchronized代碼塊前會(huì)自動(dòng)獲取內(nèi)部鎖势誊，這時(shí)候其他線程訪問(wèn)該同步代碼塊時(shí)候會(huì)阻塞掉。拿到內(nèi)部鎖的線程會(huì)在正常退出同步代碼塊或者異常拋出后釋放內(nèi)部鎖谣蠢，這時(shí)候阻塞掉的線程才能獲取內(nèi)部鎖進(jìn)入同步代碼塊粟耻。

7.2 Synchronized同步實(shí)例

內(nèi)部鎖是一種互斥鎖，具體說(shuō)是同時(shí)已有一個(gè)線程可以拿到該鎖眉踱，當(dāng)一個(gè)線程拿到該鎖并且沒(méi)有釋放的情況下挤忙，其他線程只能等待。

對(duì)于上面說(shuō)的ArrayList可以使用synchronized進(jìn)行同步來(lái)處理可見(jiàn)性問(wèn)題谈喳。

使用synchronized對(duì)方法進(jìn)行同步

public class ArrayList<E>
{

    public synchronized  E get(int index) {
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }

    public synchronized E set(int index, E element) {
        rangeCheck(index);

        E oldValue = elementData(index);
        elementData[index] = element;
        return oldValue;
    }
}
syn.png

如圖當(dāng)線程A獲取內(nèi)部鎖進(jìn)入同步代碼塊后册烈，線程B也準(zhǔn)備要進(jìn)入同步塊，但是由于A還沒(méi)釋放鎖婿禽，所以B現(xiàn)在進(jìn)入等待茄厘，使用同步可以保證線程A獲取鎖到釋放鎖期間的變量值對(duì)B獲取鎖后都可見(jiàn)。也就是說(shuō)當(dāng)B開(kāi)始執(zhí)行A執(zhí)行的代碼同步塊時(shí)候可以看到A操作的所有變量值谈宛，這里具體說(shuō)是當(dāng)線程B獲取b的值時(shí)候能夠保證獲取的值是2。這時(shí)因?yàn)榫€程A進(jìn)入同步塊修改變量值后胎署，會(huì)在退出同步塊前把值刷新到主內(nèi)存吆录，而線程B在進(jìn)入同步塊前會(huì)首先清空本地內(nèi)存內(nèi)容，從主內(nèi)存重新獲取變量值琼牧，所以實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)性恢筝。但是要注意一點(diǎn)所有線程使用的是同一個(gè)鎖。

注意 Synchronized關(guān)鍵字會(huì)引起現(xiàn)場(chǎng)上下文切換和線程調(diào)度巨坊。

八撬槽、 ReentrantReadWriteLock介紹

使用synchronized可以實(shí)現(xiàn)同步，但是缺點(diǎn)是同時(shí)只有一個(gè)線程可以訪問(wèn)共享變量趾撵，但是正常情況下侄柔，對(duì)于多個(gè)讀操作操作共享變量時(shí)候是不需要同步的，synchronized時(shí)候無(wú)法實(shí)現(xiàn)多個(gè)讀線程同時(shí)執(zhí)行占调，而大部分情況下讀操作次數(shù)多于寫(xiě)操作暂题，所以這大大降低了并發(fā)性，所以出現(xiàn)了ReentrantReadWriteLock究珊，它可以實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)分離薪者，運(yùn)行多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行讀取，但是最多運(yùn)行一個(gè)寫(xiě)現(xiàn)線程存在剿涮。

對(duì)于上面的方法現(xiàn)在可以修改為：

public class ArrayList<E>
{
  private final ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();

  public E get(int index) {

        Lock readLock = readWriteLock.readLock();
        readLock.lock();
        try {
            return list.get(index);
        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }

    public E set(int index, E element) {

        Lock wirteLock = readWriteLock.writeLock();
        wirteLock.lock();
        try {
            return list.set(index, element);
        } finally {
            wirteLock.unlock();
        }
    }
}

如代碼在get方法時(shí)候通過(guò) readWriteLock.readLock()獲取了讀鎖言津，多個(gè)線程可以同時(shí)獲取這讀鎖攻人，set方法通過(guò)readWriteLock.writeLock()獲取了寫(xiě)鎖，同時(shí)只有一個(gè)線程可以獲取寫(xiě)鎖悬槽，其他線程在獲取寫(xiě)鎖時(shí)候會(huì)阻塞直到寫(xiě)鎖被釋放怀吻。假如一個(gè)線程已經(jīng)獲取了讀鎖，這時(shí)候如果一個(gè)線程要獲取寫(xiě)鎖時(shí)候要等待直到釋放了讀鎖陷谱，如果一個(gè)線程獲取了寫(xiě)鎖烙博，那么所有獲取讀鎖的線程需要等待直到寫(xiě)鎖被釋放。所以相比synchronized來(lái)說(shuō)運(yùn)行多個(gè)讀者同時(shí)存在烟逊，所以提高了并發(fā)量渣窜。
注意 需要使用者顯式調(diào)用Lock與unlock操作

九、 Volatile變量

對(duì)于避免不可見(jiàn)性問(wèn)題宪躯，Java還提供了一種弱形式的同步乔宿，即使用了volatile關(guān)鍵字。該關(guān)鍵字確保了對(duì)一個(gè)變量的更新對(duì)其他線程可見(jiàn)访雪。當(dāng)一個(gè)變量被聲明為volatile時(shí)候详瑞，線程寫(xiě)入時(shí)候不會(huì)把值緩存在寄存器或者或者在其他地方，當(dāng)線程讀取的時(shí)候會(huì)從主內(nèi)存重新獲取最新值臣缀，而不是使用當(dāng)前線程的拷貝內(nèi)存變量值坝橡。即所謂的內(nèi)存屏障作用。

volatile雖然提供了可見(jiàn)性保證精置，但是不能使用他來(lái)構(gòu)建復(fù)合的原子性操作计寇，也就是說(shuō)當(dāng)一個(gè)變量依賴其他變量或者更新變量值時(shí)候新值依賴當(dāng)前老值時(shí)候不在適用。與synchronized相似之處在于如圖

volitale.png

如圖線程A修改了volatile變量b的值脂倦，然后線程B讀取了改變量值番宁，那么所有A線程在寫(xiě)入變量b值前可見(jiàn)的變量值，在B讀取volatile變量b后對(duì)線程B都是可見(jiàn)的赖阻，途中線程B對(duì)A操作的變量a,b的值都可見(jiàn)的蝶押。volatile的內(nèi)存語(yǔ)義和synchronized有類(lèi)似之處，具體說(shuō)是說(shuō)當(dāng)線程寫(xiě)入了volatile變量值就等價(jià)于線程退出synchronized同步塊（會(huì)把寫(xiě)入到本地內(nèi)存的變量值同步到主內(nèi)存）火欧，讀取volatile變量值就相當(dāng)于進(jìn)入同步塊（會(huì)先清空本地內(nèi)存變量值棋电，從主內(nèi)存獲取最新值）。

下面的Integer也是線程不安全的布隔，因?yàn)闆](méi)有進(jìn)行同步措施

public class ThreadNotSafeInteger {

    private int value;

    public int get() {
        return value;
    }

    public void set(int value) {
        this.value = value;
    }
}

使用synchronized關(guān)鍵字進(jìn)行同步如下：

public class ThreadSafeInteger {

    private int value;

    public synchronized int get() {
        return value;
    }

    public synchronized  void set(int value) {
        this.value = value;
    }
}

等價(jià)于使用volatile進(jìn)行同步如下：

public class ThreadSafeInteger {

    private volatile int value;

    public int get() {
        return value;
    }

    public void set(int value) {
        this.value = value;
    }
}

這里使用synchronized和使用volatile是等價(jià)的离陶，但是并不是所有情況下都是等價(jià)，一般只有滿足下面所有條件才能使用volatile

寫(xiě)入變量值時(shí)候不依賴變量的當(dāng)前值衅檀，或者能夠保證只有一個(gè)線程修改變量值招刨。
寫(xiě)入的變量值不依賴其他變量的參與。
讀取變量值時(shí)候不能因?yàn)槠渌蜻M(jìn)行加鎖哀军。
另外 加鎖可以同時(shí)保證可見(jiàn)性和原子性沉眶，而volatile只保證變量值的可見(jiàn)性打却。

為什么volitale不能保證原子性？
因?yàn)関olitale只是加了內(nèi)存屏障谎倔，保證了可見(jiàn)性柳击。而不能保證多個(gè)操作執(zhí)行過(guò)程中不存在其他線程獲取cpu時(shí)間片。

注意 volatile關(guān)鍵字不會(huì)引起線程上下文切換和線程調(diào)度片习。

十捌肴、 樂(lè)觀鎖與悲觀鎖

10.1 悲觀鎖

悲觀鎖，指數(shù)據(jù)被外界修改持保守態(tài)度(悲觀),在整個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中藕咏，將數(shù)據(jù)處于鎖定狀態(tài)状知。 悲觀鎖的實(shí)現(xiàn)，往往依靠數(shù)據(jù)庫(kù)提供的鎖機(jī)制 孽查。數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)現(xiàn)是對(duì)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行操作前饥悴，先給記錄加排它鎖，如果獲取鎖失敗盲再，則說(shuō)明數(shù)據(jù)正在被其他線程修改西设，則等待或者拋出異常。如果加鎖成功答朋，則獲取記錄贷揽，對(duì)其修改，然后事務(wù)提交后釋放排它鎖梦碗。
一個(gè)例子：select * from 表 where .. for update;

悲觀鎖是先加鎖再訪問(wèn)策略擒滑，處理加鎖會(huì)讓數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)生額外的開(kāi)銷(xiāo)，還有增加產(chǎn)生死鎖的機(jī)會(huì)叉弦，另外在多個(gè)線程只讀情況下不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)不一致行問(wèn)題，沒(méi)必要使用鎖藻糖，只會(huì)增加系統(tǒng)負(fù)載淹冰，降低并發(fā)性，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)事務(wù)鎖定了該條記錄巨柒，其他讀該記錄的事務(wù)只能等待樱拴。

10.2 樂(lè)觀鎖

樂(lè)觀鎖是相對(duì)悲觀鎖來(lái)說(shuō)的，它認(rèn)為數(shù)據(jù)一般情況下不會(huì)造成沖突洋满，所以在訪問(wèn)記錄前不會(huì)加排他鎖晶乔，而是在數(shù)據(jù)進(jìn)行提交更新的時(shí)候，才會(huì)正式對(duì)數(shù)據(jù)的沖突與否進(jìn)行檢測(cè)牺勾，具體說(shuō)根據(jù)update返回的行數(shù)讓用戶決定如何去做正罢。樂(lè)觀鎖并不會(huì)使用數(shù)據(jù)庫(kù)提供的鎖機(jī)制，一般在表添加version字段或者使用業(yè)務(wù)狀態(tài)來(lái)做驻民。

樂(lè)觀鎖直到提交的時(shí)候才去鎖定翻具，所以不會(huì)產(chǎn)生任何鎖和死鎖履怯。

十一、獨(dú)占鎖與共享鎖

根據(jù)鎖能夠被單個(gè)線程還是多個(gè)線程共同持有裆泳，鎖又分為獨(dú)占鎖和共享鎖叹洲。獨(dú)占鎖保證任何時(shí)候都只有一個(gè)線程能讀寫(xiě)權(quán)限，ReentrantLock就是以獨(dú)占方式實(shí)現(xiàn)的互斥鎖工禾。共享鎖則可以同時(shí)有多個(gè)讀線程运提，但最多只能有一個(gè)寫(xiě)線程觅丰，讀和寫(xiě)是互斥的杆烁，例如ReadWriteLock讀寫(xiě)鎖，它允許一個(gè)資源可以被多線程同時(shí)進(jìn)行讀操作候味，或者被一個(gè)線程 寫(xiě)操作笙隙，但兩者不能同時(shí)進(jìn)行洪灯。

獨(dú)占鎖是一種悲觀鎖，每次訪問(wèn)資源都先加上互斥鎖竟痰，這限制了并發(fā)性签钩，因?yàn)樽x操作并不會(huì)影響數(shù)據(jù)一致性，而獨(dú)占鎖只允許同時(shí)一個(gè)線程讀取數(shù)據(jù)坏快，其他線程必須等待當(dāng)前線程釋放鎖才能進(jìn)行讀取铅檩。

共享鎖則是一種樂(lè)觀鎖，它放寬了加鎖的條件莽鸿，允許多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行讀操作昧旨。

十二、公平鎖與非公平鎖

根據(jù)線程獲取鎖的搶占機(jī)制鎖可以分為公平鎖和非公平鎖祥得，公平鎖表示線程獲取鎖的順序是按照線程加鎖的時(shí)間先后來(lái)分決定的兔沃，也就是最早加鎖鎖的線程將最早獲取鎖，也就是先來(lái)先得的FIFO順序级及。而非公平鎖則運(yùn)行闖入乒疏，也就是先來(lái)不一定先得。

ReentrantLock提供了公平和非公平鎖的實(shí)現(xiàn)：
公平鎖ReentrantLock pairLock = new ReentrantLock(true);
非公平鎖 ReentrantLock pairLock = new ReentrantLock(false);
如果構(gòu)造函數(shù)不傳遞參數(shù)饮焦，則默認(rèn)是非公平鎖怕吴。

在沒(méi)有公平性需求的前提下盡量使用非公平鎖，因?yàn)楣芥i會(huì)帶來(lái)性能開(kāi)銷(xiāo)县踢。
假設(shè)線程A已經(jīng)持有了鎖转绷，這時(shí)候線程B請(qǐng)求該鎖將會(huì)被掛起，當(dāng)線程A釋放鎖后硼啤，假如當(dāng)前有線程C也需要獲取該鎖议经，如果采用非公平鎖方式，則根據(jù)線程調(diào)度策略線程B和C兩者之一可能獲取鎖，這時(shí)候不需要任何其他干涉爸业，如果使用公平鎖則需要把C掛起其骄，讓B獲取當(dāng)前鎖。

十三扯旷、 AbstractQueuedSynchronizer介紹

AbstractQueuedSynchronizer提供了一個(gè)隊(duì)列拯爽，大多數(shù)開(kāi)發(fā)者可能從來(lái)不會(huì)直接用到AQS，AQS中這個(gè)單一的狀態(tài)信息 state,可以通過(guò)protected的getState,setState,compareAndSetState函數(shù)進(jìn)行調(diào)用钧忽。對(duì)于ReentrantLock來(lái)說(shuō)毯炮，state可以用來(lái)表示該線程獲可重入鎖的次數(shù)，semaphore來(lái)說(shuō)state用來(lái)表示當(dāng)前可用信號(hào)的個(gè)數(shù)耸黑，F(xiàn)utuerTask用來(lái)表示任務(wù)狀態(tài)（例如還沒(méi)開(kāi)始桃煎，運(yùn)行，完成大刊，取消）为迈。

十四、CountDownLatch原理

14.1 一個(gè)例子

public class Test {

    private static final int ThreadNum = 10;

    public static void main(String[] args)  {

        //創(chuàng)建一個(gè)CountDownLatch實(shí)例缺菌，管理計(jì)數(shù)為T(mén)hreadNum
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(ThreadNum);

        //創(chuàng)建一個(gè)固定大小的線程池
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(ThreadNum);

        //添加線程到線程池
        for(int i =0;i<ThreadNum;++i){
            executor.execute(new Person(countDownLatch, i+1));
        }

        System.out.println("開(kāi)始等待全員簽到...");

        try {
            //等待所有線程執(zhí)行完畢
            countDownLatch.await();
            System.out.println("簽到完畢葫辐，開(kāi)始吃飯");

        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            executor.shutdown();
        }

    }

    static class Person implements Runnable{

        private CountDownLatch countDownLatch;
        private int index;

        public Person(CountDownLatch cdl,int index){
            this.countDownLatch = cdl;
            this.index = index;
        }

        @Override
        public void run() {

            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("person " + index +"簽到");

            //線程執(zhí)行完畢，計(jì)數(shù)器減一
            countDownLatch.countDown();

        }

    }
}

如上代碼伴郁，創(chuàng)建一個(gè)線程池和CountDownLatch實(shí)例耿战，每個(gè)線程通過(guò)構(gòu)造函數(shù)傳入CountDownLatch的實(shí)例，主線程通過(guò)await等待線程池里面線程任務(wù)全部執(zhí)行完畢焊傅，子線程則執(zhí)行完畢后調(diào)用countDown計(jì)數(shù)器減一剂陡，等所有子線程執(zhí)行完畢后，主線程的await才會(huì)返回狐胎。

14.2 原理

先看下類(lèi)圖：

countdown.png

可知CountDownLatch內(nèi)部還是使用AQS實(shí)現(xiàn)的鸭栖。
首先通過(guò)構(gòu)造函數(shù)初始化AQS的狀態(tài)值

public CountDownLatch(int count) {
    if (count < 0) throw new IllegalArgumentException("count < 0");
    this.sync = new Sync(count);
}
    Sync(int count) {
        setState(count);
    }

然后看下await方法：

    public final void acquireSharedInterruptibly(int arg)
            throws InterruptedException {
        //如果線程被中斷則拋異常
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        //嘗試看當(dāng)前是否計(jì)數(shù)值為0，為0則直接返回握巢，否者進(jìn)入隊(duì)列等待
        if (tryAcquireShared(arg) < 0)
            doAcquireSharedInterruptibly(arg);
    }

 protected int tryAcquireShared(int acquires) {
            return (getState() == 0) ? 1 : -1;
        }

如果tryAcquireShared返回-1則 進(jìn)入doAcquireSharedInterruptibly

    private void doAcquireSharedInterruptibly(int arg)
        throws InterruptedException {
       //加入隊(duì)列狀態(tài)為共享節(jié)點(diǎn)
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head) {
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    if (r >= 0) {
                       //如果多個(gè)線程調(diào)用了await被放入隊(duì)列則一個(gè)個(gè)返回纤泵。
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                //shouldParkAfterFailedAcquire會(huì)把當(dāng)前節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變?yōu)镾IGNAL類(lèi)型，然后調(diào)用park方法把當(dāng)先線程掛起镜粤，
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }

調(diào)用await后，當(dāng)前線程會(huì)被阻塞玻褪，知道所有子線程調(diào)用了countdown方法肉渴，并在在計(jì)數(shù)為0時(shí)候調(diào)用該線程unpark方法激活線程，然后該線程重新tryAcquireShared會(huì)返回1带射。

然后看下 countDown方法：

委托給sync

    public void countDown() {
        sync.releaseShared(1);
    }
    public final boolean releaseShared(int arg) {
        if (tryReleaseShared(arg)) {
            doReleaseShared();
            return true;
        }
        return false;
    }

首先看下tryReleaseShared

        protected boolean tryReleaseShared(int releases) {
            //循環(huán)進(jìn)行cas同规，直到當(dāng)前線程成功完成cas使計(jì)數(shù)值（狀態(tài)值state）減一更新到state
            for (;;) {
                int c = getState();
                if (c == 0)
                    return false;
                int nextc = c-1;
                if (compareAndSetState(c, nextc))
                    return nextc == 0;
            }
        }

該函數(shù)一直返回false直到當(dāng)前計(jì)數(shù)器為0時(shí)候才返回true。
返回true后會(huì)調(diào)用doReleaseShared，該函數(shù)主要作用是調(diào)用uppark方法激活調(diào)用await的線程券勺，代碼如下：

private void doReleaseShared() {

    for (;;) {
        Node h = head;
        if (h != null && h != tail) {
            int ws = h.waitStatus;
            //節(jié)點(diǎn)類(lèi)型為SIGNAL绪钥，把類(lèi)型在通過(guò)cas設(shè)置回去，然后調(diào)用unpark激活調(diào)用await的線程
            if (ws == Node.SIGNAL) {
                if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                    continue;            // loop to recheck cases
                unparkSuccessor(h);
            }
            else if (ws == 0 &&
                     !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
                continue;                // loop on failed CAS
        }
        if (h == head)                   // loop if head changed
            break;
    }
}

激活主線程后关炼，主線程會(huì)在調(diào)用tryAcquireShared獲取鎖程腹。

十五、ReentrantLock獨(dú)占鎖原理

15.1 ReentrantLock結(jié)構(gòu)

先上類(lèi)圖：

retrateLock.png

可知ReentrantLock最終還是使用AQS來(lái)實(shí)現(xiàn)儒拂，并且根據(jù)參數(shù)決定內(nèi)部是公平還是非公平鎖寸潦，默認(rèn)是非公平鎖

 public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }

    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }
加鎖代碼：


public void lock() {
        sync.lock();
    }

15.2 公平鎖原理

先看Lock方法：
lock方法最終調(diào)用FairSync重寫(xiě)的tryAcquire方法

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            //獲取當(dāng)前線程和狀態(tài)值
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
           //狀態(tài)為0說(shuō)明該鎖未被任何線程持有
            if (c == 0) {
             //為了實(shí)現(xiàn)公平，首先看隊(duì)列里面是否有節(jié)點(diǎn)社痛，有的話再看節(jié)點(diǎn)所屬線程是不是當(dāng)前線程见转，是的話hasQueuedPredecessors返回false,然后使用原子操作compareAndSetState保證一個(gè)線程更新?tīng)顟B(tài)為1，設(shè)置排他鎖歸屬與當(dāng)前線程蒜哀。其他線程通過(guò)cass則返回false.
                if (!hasQueuedPredecessors() &&
                    compareAndSetState(0, acquires)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            }
//狀態(tài)不為0說(shuō)明該鎖已經(jīng)被線程持有斩箫，則看是否是當(dāng)前線程持有，是則重入鎖次數(shù)+1.
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0)
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");

                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }

公平性保證代碼：

    public final boolean hasQueuedPredecessors() {

        Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
        Node h = head;
        Node s;
        return h != t &&
            ((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
    }

再看看unLock方法撵儿，最終調(diào)用了Sync的tryRelease方法：

        protected final boolean tryRelease(int releases) {
           //如果不是鎖持有者調(diào)用UNlock則拋出異常乘客。
            int c = getState() - releases;
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
           //如果當(dāng)前可重入次數(shù)為0，則清空鎖持有線程
            if (c == 0) {
                free = true;
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            //設(shè)置可重入次數(shù)為原始值-1
            setState(c);
            return free;
        }

15.3 非公平鎖原理

        final void lock() {

           //如果當(dāng)前鎖空閑0统倒，則設(shè)置狀態(tài)為1寨典，并且設(shè)置當(dāng)前線程為鎖持有者
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);//調(diào)用重寫(xiě)的tryAcquire方法-》nonfairTryAcquire方法
        }
 final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {//狀態(tài)為0說(shuō)明沒(méi)有線程持有該鎖
                if (compareAndSetState(0, acquires)) {//cass原子性操作，保證只有一個(gè)線程可以設(shè)置狀態(tài)
                    setExclusiveOwnerThread(current);//設(shè)置鎖所有者
                    return true;
                }
            }//如果當(dāng)前線程是鎖持有者則可重入鎖計(jì)數(shù)+1
            else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }

15.3 總結(jié)

可知公平與非公平都是先執(zhí)行tryAcquire嘗試獲取鎖房匆，如果成功則直接獲取鎖耸成，如果不成功則把當(dāng)前線程放入隊(duì)列。對(duì)于放入隊(duì)列里面的第一個(gè)線程A在unpark后會(huì)進(jìn)行自旋調(diào)用tryAcquire嘗試獲取鎖浴鸿，假如這時(shí)候有一個(gè)線程B執(zhí)行了lock操作井氢，那么也會(huì)調(diào)用tryAcquire方法嘗試獲取鎖，但是線程B并不在隊(duì)列里面岳链，但是線程B有可能比線程A優(yōu)先獲取到鎖花竞，也就是說(shuō)雖然線程A先請(qǐng)求的鎖，但是卻有可能沒(méi)有B先獲取鎖掸哑，這是非公平鎖實(shí)現(xiàn)约急。而公平鎖要保證線程A要比線程B先獲取鎖。所以公平鎖相比非公平鎖在tryAcquire里面添加了hasQueuedPredecessors方法用來(lái)保證公平性苗分。

十六厌蔽、ReentrantReadWriteLock原理

ReentrantReadWriteLock.png

如圖讀寫(xiě)鎖內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)ReadLock和WriteLock，并且也提供了公平和非公平的實(shí)現(xiàn)摔癣，下面只介紹下非公平的讀寫(xiě)鎖實(shí)現(xiàn)奴饮。我們知道AQS里面只維護(hù)了一個(gè)state狀態(tài)纬向，而ReentrantReadWriteLock則需要維護(hù)讀狀態(tài)和寫(xiě)狀態(tài)，一個(gè)state是無(wú)法表示寫(xiě)和讀狀態(tài)的戴卜。所以ReentrantReadWriteLock使用state的高16位表示讀狀態(tài)也就是讀線程的個(gè)數(shù)逾条，低16位表示寫(xiě)鎖可重入量。

static final int SHARED_SHIFT = 16;

共享鎖（讀鎖）狀態(tài)單位值65536
static final int SHARED_UNIT = (1 << SHARED_SHIFT);
共享鎖線程最大個(gè)數(shù)65535
static final int MAX_COUNT = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;

排它鎖(寫(xiě)鎖)掩碼 二進(jìn)制 15個(gè)1
static final int EXCLUSIVE_MASK = (1 << SHARED_SHIFT) - 1;

返回讀鎖線程數(shù)
static int sharedCount(int c) { return c >>> SHARED_SHIFT; }
返回寫(xiě)鎖可重入個(gè)數(shù)
static int exclusiveCount(int c) { return c & EXCLUSIVE_MASK; }

16.1 WriteLock

lock 獲取鎖 對(duì)應(yīng)寫(xiě)鎖只需要分析下Sync的tryAcquire和tryRelease

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {

        Thread current = Thread.currentThread();
        int c = getState();
        int w = exclusiveCount(c);
        //c!=0說(shuō)明讀鎖或者寫(xiě)鎖已經(jīng)被某線程獲取
        if (c != 0) {
            //w=0說(shuō)明已經(jīng)有線程獲取了讀鎖或者w!=0并且當(dāng)前線程不是寫(xiě)鎖擁有者投剥，則返回false
            if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
                return false;
           //說(shuō)明某線程獲取了寫(xiě)鎖师脂，判斷可重入個(gè)數(shù)
            if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");

           // 設(shè)置可重入數(shù)量(1)
            setState(c + acquires);
            return true;
        }

       //第一個(gè)寫(xiě)線程獲取寫(xiě)鎖
        if (writerShouldBlock() ||
            !compareAndSetState(c, c + acquires))
            return false;
        setExclusiveOwnerThread(current);
        return true;
    }

unlock 釋放鎖

protected final boolean tryRelease(int releases) {
     // 看是否是寫(xiě)鎖擁有者調(diào)用的unlock
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
//獲取可重入值，這里沒(méi)有考慮高16位薇缅，因?yàn)閷?xiě)鎖時(shí)候讀鎖狀態(tài)值肯定為0
            int nextc = getState() - releases;
            boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
       //如果寫(xiě)鎖可重入值為0則釋放鎖危彩，否者只是簡(jiǎn)單更新?tīng)顟B(tài)值。
            if (free)
                setExclusiveOwnerThread(null);
            setState(nextc);
            return free;
        }

16.2 ReadLock

對(duì)應(yīng)讀鎖只需要分析下Sync的tryAcquireShared和tryReleaseShared

lock 獲取鎖

protected final int tryAcquireShared(int unused) {

//獲取當(dāng)前狀態(tài)值
Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();

//如果寫(xiě)鎖計(jì)數(shù)不為0說(shuō)明已經(jīng)有線程獲取了寫(xiě)鎖泳桦，然后看是不是當(dāng)前線程獲取的寫(xiě)鎖汤徽。
if (exclusiveCount(c) != 0 &&
    getExclusiveOwnerThread() != current)
    return -1;

//獲取讀鎖計(jì)數(shù)
int r = sharedCount(c);
//嘗試獲取鎖，多個(gè)讀線程只有一個(gè)會(huì)成功灸撰，不成功的進(jìn)入下面fullTryAcquireShared進(jìn)行重試
if (!readerShouldBlock() &&
    r < MAX_COUNT &&
    compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
    if (r == 0) {
        firstReader = current;
        firstReaderHoldCount = 1;
    } else if (firstReader == current) {
        firstReaderHoldCount++;
    } else {
        HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
        if (rh == null || rh.tid != current.getId())
            cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
        else if (rh.count == 0)
            readHolds.set(rh);
        rh.count++;
    }
    return 1;
}
return fullTryAcquireShared(current);
}

unlock 釋放鎖

protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
Thread current = Thread.currentThread();
if (firstReader == current) {
    // assert firstReaderHoldCount > 0;
    if (firstReaderHoldCount == 1)
        firstReader = null;
    else
        firstReaderHoldCount--;
} else {
    HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
    if (rh == null || rh.tid != current.getId())
        rh = readHolds.get();
    int count = rh.count;
    if (count <= 1) {
        readHolds.remove();
        if (count <= 0)
            throw unmatchedUnlockException();
    }
    --rh.count;
}

//循環(huán)直到自己的讀計(jì)數(shù)-1 cas更新成功
for (;;) {
    int c = getState();
    int nextc = c - SHARED_UNIT;
    if (compareAndSetState(c, nextc))

        return nextc == 0;
}
}

十七谒府、參考

Java并發(fā)編程實(shí)踐
http://www.hollischuang.com/archives/934
http://ifeve.com/juc-reentrantreadwritelock/

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