8、java高效并发
java内存模型与线程
硬件效率与一致性
高速缓存的存储交互解决了处理器与内存的速度矛盾，但是它还是存在一致性问题，即缓存一致性。
多处理器有多个高速缓存(Cache)，他们共享同一主内存(Main Memory)
为了解决一致性问题，各个处理器访问缓存遵循协议 MSI MESI MOSI
本文”内存模型“，在特定操作协议下，对特定内存会高速缓存进行读写的过程抽象
为了使处理器运算单元利用率高，处理器对输入代码进行乱序执行优化(类java指令重新排序)
java内存模型
内存间交互操作
- lock 锁定 主内存
- unlock 解锁 主内存
- read 读取 主内存
- load 载入 工作内存
- use 使用 工作内存
- assign 赋值 工作内存
- store 存储 工作内存
- write 写入 主内存
读取 read load 写入 store write
long double类型特殊规则
读写需要2条指令，非原子操作 根据虚拟机实现情况而定
volatile特殊规则
- 可见性 volatile修饰变量 缓存中存在不一致性，但是每次使用之前都会从主内存中重新读取
- 禁止指令重新排序 指令 lock addl $0x0,(%esp) 内存屏障 禁止指令重排序
原则
- 原子性 原子性是指一个操作是不可分割的，要么全部执行，要么不执行
- 可见性 可见性是指一个线程修改了某个共享变量，其他线程能够立即看到这个修改
- 有序性 有序性是指线程按照代码的顺序执行
- 先行发生原则 操作A先发生于B，操作B可以观察到A的副作用
java与线程
线程是比进程更轻量级调度执行单位，各个线程共享进程资源(内存地址,文件IO),又可以独立调度
Thread 关键实现是native方法,平台实现有关
1. 使用内核线程实现
操作系统内核线程实现，这种线程由内核来完成线程切换(不直接使用)
轻量级进程，就是通常所指的线程，每个轻量级线程都有一个内核进程支持，轻量级进程与内核进程1:1关系
每一个轻量级进程都是一个独立调度单元
缺点：1、轻量级线程操作，需要系统调用，需要用户态和内核态中来回切换 2、创建需要消耗内核资源，系统支持轻量级进程数量有限
2. 使用用户线程实现
一个线程只要不是内核线程，就可以任务用户进程
完全建立在用户空间的线程库 进程与用户线程是1:N关系
3.使用用户线程加轻量级进程混合实现
用户线程和轻量级进程比例 n:m
4. java线程的实现
虚拟机决定，采用线程api
java线程调度
同步式线程调度: 线程执行时间自己决定
抢占式线程调度:系统分配执行时间
状态转换
- 新建状态 new 线程刚创建，还没有启动
- 运行状态 runnable 线程已经启动。Ready 就绪状态 Running 运行状态
- 无限期等待 waitting 等待被显式唤起 object.wait() thread.join() LockSupport.park()
- 限期等待 Timed waitting 超时自动唤起 sleep(time) wait(time) join(time) LockSupport.parkNanos(time)
- 阻塞 blocked 线程阻塞了，等待一个锁资源
- 结束状态 terminated 线程结束
线程安全
如果一个对象可以安全的被多个线程同时访问，那么这个对象就是线程安全的
多个线程访问同一个对象时，不需要额外的同步，调用这个对象行为都可以获得正确结果，那么是线程安全的
不可变
不可变对象被构建出来(没有发生this引用逃逸问题),是安全的
基本数据类型 使用final关键字修饰，保证它不可变，比如String Integer
绝对线程安全
任何情况下，无额外同步措施
原子操作组合业务，是非原子操作的，需要同步方法
相对线程安全
只保证这个对象单独操作是线程安全
线程兼容
调用方正确使用同步手段，保证现场对象在并发环境安全
线程对立
尝试停止和恢复另外线程来实现同步 resume suspend
线程安全的实现
互斥同步
互斥同步是指多个线程并发访问共享数据时，保证同一时刻只有一个线程使用，实现同步访问。互斥是实现同步的一种手段
synchronized关键字 ,关键字经过编译后，会在同步块生成monitorenter monitorexit指令,
- 字节码需要reference类型参数来指明锁定和解锁对象
- 执行moniter指令时，monitorenter 尝试获取对象锁，获得+1 没获得阻塞， monitorexit 释放对象锁，-1 计数器为0 释放
- synchronized 可重入的
- 阻塞和唤醒一个线程，都需要操作系统从用户态切换到内核态，需要系统调用
ReentrantLock 实现同步
- 可重入
- 等待可中断： 持有锁线程长时间不释放，等待线程可以选择放弃等待
- 公平锁 按照申请锁顺序来依次获得锁 非公平锁 任何一个等待线程都可以获得锁
- 锁绑定多个条件 可以绑定多个condition
非阻塞同步
先进行操作，如果没有其他线程操作，则操作成功，否则失败，失败则重新进行操作
乐观锁
操作和冲突检测是原子性操作
- 测试并射中
- 获取并增加
- 交换
- 比较并交换CAS
- 加载/存储
public int incrementAndGet() {
for(;;){
int cur = get();
int next = cur + 1;
if(compareAndSet(cur,next)){
return next;
}
}
}
存在ABA问题 大部分场景不会影响并发安全性
无同步方案
可重入代码
线程本地存储 ThreadLocal
锁优化
自旋锁与自适应自旋锁
不放弃处理器执行时间，忙循环(自旋) 叫自旋锁 自适应自旋 , 自旋时间是由上一次状态决定
优点:避免线程切换开销 缺点消耗处理器资源
锁消除
移除没有同步需求的锁
锁粗化
频繁对一个对象中片段内容加锁，可以合并成一个锁，加到对象上
锁升级
0.对象头
1.偏向锁
单线程尝试进入
加锁
- 当锁对象第一次被线程获取时，jvm将对象头标志位设为”01“,即偏向模式
- CAS操作 设置获得锁线程ID记录到对象头中，设置成功
- 持有偏向锁线程每次进入，不在有任何同步操作
释放
- 当有另外线程尝试获取这个锁，偏向模式结束
- 撤销偏向恢复未锁定，或升级轻量锁状态
2.轻量锁
另外线程尝试获得锁
加锁
- 线程创建锁记录(Lock Record)空间，用于存储锁对象
- CAS操作 将对象MarkWord更新为Lock Record指针 称之为 Displaced MarkWord
- 更新锁状态为"00" 轻量锁 加锁成功
膨胀
- 加锁失败，如果markword指向当前线程执行栈帧 继续执行
- 否则，锁对象被强占，两个线程强占同一个锁，轻量锁失效
- 膨胀成重量锁，锁状态为"10"
解锁
- 将对象原来的MarkWord替换回来
3.重量锁
多线程竞争锁
锁升级流程
