JAVA併發-併發框架(一)

java併發的一系列框架和技術主要是由java.util.concurrent 包所提供。包下的所有類可以分為如下幾大類：

• locks部分：顯式鎖(互斥鎖和速寫鎖)相關；
• atomic部分：原子變數類相關，是構建非阻塞演算法的基礎；
• executor部分：線程池相關；
• collections部分：併發容器相關；
• tools部分：同步工具相關，如信號量、閉鎖、柵欄等功能

整體實現技術可按照依賴級別分為以下三層：

一、volatile

　　保證線程之間操作的可見性，避免操作的重排序，但不保證原子性(i++)。

　　由於 Java 記憶體模型(JMM)規定，所有的變數都存放在主記憶體中，而每個線程都有著自己的工作記憶體(高速緩存)。

　　在當前的Java記憶體模型下，線程可以把變數保存在本地記憶體（比如機器的寄存器）中，而不是直接在主存中進行讀寫。這就可能造成一個線程在主存中修改了一個變數的值，而另外一個線程還繼續使用它在寄存器中的變數值的拷貝，造成數據的不一致。

　　Volatile修飾的成員變數在每次被線程訪問時，都強迫從共用記憶體中重讀該成員變數的值；當成員變數發生變化時，強迫線程將變化值回寫到共用記憶體。由於使用 volatile 屏蔽掉了 VM 中必要的代碼優化,所以在效率上會低效一些。

二、CAS無鎖演算法

　　CAS(comapre and swap)：CAS是一項樂觀鎖技術，其核心思想為衝突檢測和數據更新。Java對於CAS支持是利用sun.misc.Unsafe這個類通過JNI調用CPU底層指令實現Unsafe.compareAndSwapInt操作。其主要實現思路為：將記憶體值V與舊的預期值E，如果相同則更新為U，不相同則由上層系統迴圈獲取實際值後，再次調用此CAS演算法。最主要的應用就在原子變數類的具體實現中。

	將記憶體值V與舊的預期值E，如果相同則更新為U，不相同，返回記憶體值給用戶。 Unsafe類提供了硬體級別的原子操作來實現這個CAS
但CAS存在問題：ABA問題/迴圈時間長開銷大/只能保證一個共用變數的原子操作 ABA:如棧結構(A-B)，線程T1要移除A，B變棧頂，,線程T2將結構變為A-C-D，，此時T1進行CAS衝突檢測發現A沒變，但實際上整個棧結構變了，此時進行操作會覆蓋掉C-D,解決辦法是使用原子類AtomicStampedReference來保證整個棧的一致性。   對於線程衝突較輕，使用CAS能夠避免加鎖和釋放鎖的操作，消耗CPU資源。 對於線程衝突較重，CAS容易產生自旋，即不停比較然後失敗重試，浪費CPU。

三、AQS及其他同步工具

　　AbstractQueuedSynchronizer抽象隊列同步器，定義了多線程訪問資源的同步框架。用於構建鎖和其他同步組件CountDownLatch等的基本框架。使用一個volatile(代表共用資源)來維護狀態，通過內置的FIFO隊列來完成資源獲取線程的排隊工作。如果被請求的共用資源空閑，則將當前請求資源的線程設置為有效的工作線程，並且將共用資源設置為鎖定狀態。如果被請求的共用資源被占用，那麼就需要一套線程阻塞等待以及被喚醒時鎖分配的機制，這個機制AQS是用CLH隊列(帶頭節點的雙向非迴圈鏈表)鎖實現的，即將暫時獲取不到鎖的線程加入到隊列中。 

　　AQS兩類應用場景：Exclusive（資源獨占，只有一個線程能執行，如ReentrantLock）和Share（資源共用，多個線程可同時執行，如Semaphore/CountDownLatch）

　　1.CountDownLatch： 倒計時器，同步工具類，允許一個或多個線程，等待其他一組線程完成操作，再繼續執行。在CountDownLatch 上定義兩種操作：CountDown.countDown表示該線程工作結束(計數器減一)、CountDown.await當前線程阻塞，等待其他工作線程結束(計數器為0)

　　2.CyclicBarrier：線程屏障，同步工具類，允許一組線程相互之間等待，達到一個共同點，再繼續執行。能夠重置並多次使用，並且能夠獲取阻塞線程數量；不會阻塞主線程。

　　3.Semaphore：信號量，用於控制線程的併發數量。在信號量上我們定義兩種操作： acquire（獲取） 和 release（釋放）。當一個線程調用acquire操作時，它要麼通過成功獲取許可（許可減1），要麼一直等下去，直到有線程釋放許可，或超時。release（釋放）實際上會將許可的值加1，然後喚醒等待的線程。

　　使用Seamphore(2)，創建了多少線程(5)，實際就會有多少線程執行（5），只是可同時執行的線程數量會受到限制(2)。但使用線程池（2，5），不管你創建多少線程實際可執行的線程數是一定的（2）。

　　4.Exchanger：交換者，實現線程間的相互數據交換或通信。提供一個同步點，當兩個線程都達到該同步點時，則進行交換數據，可以多個進行隨機交換，但必須為偶數個。無鎖，通過迴圈 cas 來實現線程安全。eg：String data2 = (String) exchanger.exchange(data1)。

四、非阻塞數據結構

同步集合：Vector、HashTable，同步集合包裝類/Collections.synchronizedMap()和Collections.synchronizedList()---同步集合會對整個May或List加鎖。

ConcurrentHashMap：HashMap的併發級別，通過繼承自ReentrantLock的Segment來對Hahs表進行分段鎖，提高了併發效率

ConcurrentQueue也是通過同樣的方式來提高併發性能的，子類ConcurrentLinkedQueue。例子：多線程賣票。

CopyOnWriteArrayList：寫時複製容器，複製該容器進行寫操作，將當前容器進行Copy，複製出一個新的容器，然後向新的容器里添加元素，添加完元素之後，再將原容器的引用指向新的容器。這樣做的好處是我們可以對CopyOnWrite容器進行併發的讀，而不需要加鎖，因為在當前讀的容器中不會添加任何元素。所以CopyOnWrite容器是一種讀寫分離的思想，讀和寫對應不同的容器。

BlockingQueue：阻塞隊列，併發容器，沒有元素時-讀取會堵塞，元素滿時-加元素會阻塞。適合消費者生產者模式，其中ExecutorCompletionService就是將LinkedBlockingQueue和Executor結合管理線程返回結果。