多線程筆記（二）

1. Synchronized 和 Lock 的區別

• synchronized是Java的關鍵字，是 JVM 層面的內置功能和實現。

  Lock是一個介面，是代碼層面的實現

• synchronized可以隱式的獲取，釋放鎖

  lock是顯式的獲取，釋放鎖

• synchronized在發生異常的時候會自動釋放鎖

  lock在發生異常的時候，不會自動釋放鎖，必須要調用unlock方法才會釋放鎖，否則容易引起死鎖

• Lock可以嘗試非阻塞獲取鎖，可中斷獲取鎖，超時獲取鎖。

  synchronized並沒有這些功能

2. LockSupport

LockSupport是一個編程工具類，主要是為了阻塞線程（park）和喚醒線程（unpark）時使用

設計原理的核心：許可

​ park：掛起當前線程，等待一個許可

​ unpark：為某個線程提供一個許可，喚醒某個指定的線程

park/unpark和wait/notify很類似，但其具有以下的優點

• park/unpark是以thread為操作對象，語義更加直觀
• 操作更為精準和靈活，可以準確的去喚醒某一個線程

park/unpark和wait/notify的區別

wait/notify和synchronized聯繫在一起的，wait過後，線程是進入Blocked狀態

park方法使當前線程掛起，進入到waiting狀態

3. CAS

CAS（Compare And Swap, 比較並替換）中有3個基本的操作數：V：記憶體地址的值； A：舊的預期的值；B：要修改的新的值

基本實現方式：

使用CAS去更新一個變數的時候，只有變數的舊的預期的值A 和記憶體地址的值V 相同的時候，才會將V 修改為新的值B。如果修改失敗，會自旋等待，直到修改成功。

CAS實現的基石：Unsafe類

CAS想要保證操作時線程安全的，一個實現的關鍵在於如何保證 比較並替換 是一個原子操作

在Java中，用Unsafe類來實現CAS的原子操作，Unsafe類 ==> JNI(Java本地介面) ==>本地實現的C++庫 ==>操作記憶體空間

CAS在Java中的應用和缺點

應用：

• Atomic包， Lock包下系列的類

• 在JDK1.6以後，sychronized升級為重量級鎖之前也採用的CAS機制

缺點

• CAS採用自旋的方式，會浪費CPU的資源

• 不能保證代碼塊的原子性，保證的是對一個變數的 比較和替換 的操作是原子的

• ABA問題：CAS操作記憶體值，由A改成了B，但是又改回了A，從而導致後續本不應該成功的操作，最後成功執行

​ 自己舉個慄子：由於網路延時，線程一線程二都想對記憶體值A操作，目的就是將記憶體值A改成B（只修改一次），按理說一個線程操作成功，那另一個線程就要操作失敗。線程一和線程二取到的舊的值都是A，假定線程一操作成功，將A改成了B。按理說接下來線程二拿到的記憶體的值是B，和取到的舊的值A比較，B不等於A，就會提交失敗，但是捏，好巧不巧，線上程二修改之前，線程三過來執行它自己的任務，將B改成了A。這個時候線程二拿到的記憶體值是A，之前取到的舊的值也是A，A等於A，線程二就會對A進行修改。這個時候就對記憶體值修改了兩次，而我們只想讓它修改一次，就出錯了。可以把記憶體值想成自己的工資，誰都不想自己的工資被莫名其妙的多改幾次把，改多了當我沒說，哈哈哈。

ABA的解決方案：給數據加上版本號，每次不僅要比較記憶體的值，還要比較版本號

4. AQS

AQS是什麼？

AQS（AbstractQueuedSynchronizer，抽象隊列同步器）是構建鎖和其他同步組件的基礎框架

AQS能幹什麼？

• 同步隊列的管理和維護
• 同步狀態的光臨
• 線程的阻塞，喚醒的管理

基本設計思路

• 把競爭的線程和等待狀態，封裝成為Node對象
• AQS把這些Node，放到一個同步隊列中去，這個同步隊列是一個FIFO（先進先出）的一個雙向隊列，是基於CLH（貢獻者名字縮寫首字母，不用糾結這個）隊列實現的

• AQS使用int類型的成員變數來表示同步狀態，比如：是否有線程獲取鎖，鎖的重入次數等，具體的含義由具體的子類來定義
• AQS使用LockSupport來實現對線程的喚醒和阻塞，線程的喚醒和阻塞便隨著同步隊列的維護。

AQS如何把基礎功能提供出去？

AQS使用模板方法模式，大概的意思是規定了整體的流程，自己可以具體實現子流程，整體的流程是不能變的。後續把設計模式學了再做補充

非阻塞的獲取獨占鎖的流程

自己畫的簡化版流程，沒有涉及到裡面的中斷

AQS中獲取和釋放獨占鎖和共用鎖區別

獨占鎖：正常情況下，只有持有鎖的線程運行結束了，釋放鎖了，該節點才會出隊。

共用鎖：當前節點喚醒了下一個節點並且將下一個節點設置尾Head之後，該節點出隊。

獨占鎖：只有在釋放鎖的時候，才會去看看要不要喚醒下一個節點。

共用鎖：在獲取鎖的過程中會在兩個地方看看要不要去喚醒下一個節點。一個是在獲取鎖的流程中調用setHeadAndPropagate()方法的時候，一個是在釋放鎖的時候。

5. ReentrantLock

ReentrantLock是Lock介面的實現，主要實現了可重入的獨占鎖的功能，與synchronized關鍵字功能類型

ReentrantLock與synchronized對比

ReentrantLock功能更加強大和靈活

• 可非中斷的獲取鎖
• 可中斷式的獲取鎖
• 可超時獲取鎖
• 提供了公平鎖和非公平鎖

公平鎖和非公平鎖的卻別主要體現在獲取鎖的方式上

公平鎖：多個線程按照申請獲取鎖的先後順序來獲取鎖

非公平鎖：多個線程按照不是按照申請獲取鎖的先後順序來獲取鎖。比如搶占式獲取鎖。高併發的情況可能會造成饑餓現象

在ReentrantLock的源碼中，公平鎖主要是通過判斷當前的AQS隊列是否有節點來控制當前節點是否獲得鎖。隊列中如果有節點那麼tryAcquire()方法直接返回false表示獲取鎖失敗，再將節點其排到隊列末尾。

ReentrantReadWriteLock

在實際的業務中，往往讀數據比寫數據更加頻繁，如果我們對讀數據使用共用鎖，對寫數據使用獨占鎖，那麼整個讀寫的性能就會提高。

讀鎖：用在讀取臨界資源的地方

寫鎖：用在更新臨界資源的地方

讀鎖和寫鎖的互斥規則：

• 一個線程讀，另一個線程讀：共用
• 一個線程讀，另一個線程寫：互斥
• 一個線程寫，另一個線程讀：互斥
• 一個線程寫，另一個線程寫：互斥

ReadWriteLock是一個介面，該介面中只有兩個方法，分別為Lock readLock();和Lock writeLock();

ReentrantReadWriteLock：可重入式讀寫鎖，是讀寫鎖（ReadWriteLock）的實現類。

• 支持讀鎖和寫鎖
• 支持公平鎖和非公平鎖
• 支持可重入鎖
• 支持鎖降級（如果一個線程持有寫鎖，在不釋放寫鎖的情況下，它還可以繼續持有讀鎖，這種情況就是鎖降級）

讀寫鎖的狀態存儲機制

AQS里的state是一個int值。在讀寫鎖中，需要同時保存兩種鎖的狀態。其同樣使用int類型的變數表示state，總共32位，前16位表示讀鎖的同步狀態，後面16位表示寫鎖的同步狀態。獲取讀鎖狀態就將state無符號右移16位。獲取寫鎖狀態就將state與掩碼相與，保留後16位。

6. StampedLock類

ReentrantReadWriteLock中存在著一些問題，寫線程可能會出現“饑餓”問題；如果有線程在讀，那麼寫線程是無法獲取寫鎖的。

優點：

在Java8中引入了StampedLock，其對ReentrantReadWriteLock進行了增強，優化了讀鎖和寫鎖的訪問，使讀寫鎖之間可以相互轉換，因此可以更細粒度地控制併發。

缺點：

其設計初衷使作為一個內部工具類來使用，用於輔助開發其他的線程安全組件。用不好的花會產生死鎖，產生莫名其妙的問題。不支持可重入也是一個問題。

特點：

• 所有獲取鎖的方法，都會返回一個stamp
• 所有釋放鎖的方法，都需要一個stamp
• 是不可重入的
• 有三種訪問方式，分別為讀模式，寫模式，樂觀讀模式
• 支持讀鎖和寫鎖的相互轉換
• 不支持Condition

7. Condition

該介面對原生的wait, notify/notifyAll這些方法進行增強，從Java語言層面，實現類似的功能。

AQS是使用同步隊列來控制節點獲取鎖，在Condition中使用條件隊列來控制節點什麼時候await()，什麼時候signal()。與多個節點共用一個同步隊列不同的是，一個Conditon對象就對應一個條件隊列。

總體流程為，調用await()時，將節點加入等待隊列，然後將線程掛起，等待其他線程對其調用signal()方法。其他線程對其調用signal()方法後，將該節點從條件隊列中出隊，將其添加到同步隊列的末尾，然後將其喚醒。然後就走同步隊列的那一套流程。

8. ThreadLocal

ThreadLocal是用來存放線程自身相關數據的一個容器。提供線程本地變數，訪問這個變數的每個線程都會有這個變數的一個副本。線程操作數據的時候就會操作線程本地的數據，從而避免了線程安全性問題。

threadLocals其實是一個ThreadLocalMap類型的，在Thread類中的一個屬性，伴隨的線程的存在而存在。當我們設置ThreadLocal變數的時候，ThreadLocalMap中的key就是ThreadLocal，value就是ThreadLocal變數的值。

• 由於threadLocals是Thread的一個屬性，會跟著線程一直存在，為了避免記憶體溢出，在確定ThreadLocal數據以後不再使用後，要及時remove掉。

• 由於ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱引用作為key，如果一個ThreadLocal沒有外部關聯的強引用，在垃圾回收的時候，JVM會回收掉ThreadLocal，就會出現ThreadLocalMap中key為空，但是value值還在。造成記憶體泄漏，所以在確定ThreadLocal數據以後不再使用後，要及時remove掉。