多執行緒筆記（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作，

  Lock是一個介面，是代碼層面的實作

• synchronized可以隱式的獲取，釋放鎖

  lock是顯式的獲取，釋放鎖

• synchronized在發生例外的時候會自動釋放鎖

  lock在發生例外的時候，不會自動釋放鎖，必須要呼叫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并沒有這些功能

2. LockSupport

LockSupport是一個編程工具類，主要是為了阻塞執行緒（park）和喚醒執行緒（unpark）時使用

設計原理的核心：許可

? park：掛起當前執行緒，等待一個許可

? unpark：為某個執行緒提供一個許可，喚醒某個指定的執行緒

park/unpark和wait/notify很類似，但其具有以下的優點

• park/unpark是以thread為操作物件，語意更加直觀
• 操作更為精準和靈活，可以準確的去喚醒某一個執行緒

park/unpark和wait/notify的區別

wait/notify和synchronized聯系在一起的，wait過后，執行緒是進入Blocked狀態

park方法使當前執行緒掛起，進入到waiting狀態

3. CAS

CAS（Compare And Swap, 比較并替換）中有3個基本的運算元：V：記憶體地址的值； A：舊的預期的值；B：要修改的新的值

基本實作方式：

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實作的基石：Unsafe類

CAS想要保證操作時執行緒安全的，一個實作的關鍵在于如何保證 比較并替換 是一個原子操作

在Java中，用Unsafe類來實作CAS的原子操作，Unsafe類 ==> JNI(Java本地介面) ==>本地實作的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以后，sychronized升級為重量級鎖之前也采用的CAS機制

缺點

• CAS采用自旋的方式，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，從而導致后續本不應該成功的操作，最后成功執行

? 自己舉個栗子：由于網路延時，執行緒一執行緒二都想對記憶體值A操作，目的就是將記憶體值A改成B（只修改一次），按理說一個執行緒操作成功，那另一個執行緒就要操作失敗，執行緒一和執行緒二取到的舊的值都是A，假定執行緒一操作成功，將A改成了B，按理說接下來執行緒二拿到的記憶體的值是B，和取到的舊的值A比較，B不等于A，就會提交失敗，但是捏，好巧不巧，在執行緒二修改之前，執行緒三過來執行它自己的任務，將B改成了A，這個時候執行緒二拿到的記憶體值是A，之前取到的舊的值也是A，A等于A，執行緒二就會對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：給資料加上版本號，每次不僅要比較記憶體的值，還要比較版本號

4. AQS

AQS是什么？

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

AQS能干什么？

• 同步佇列的管理和維護
• 同步狀態的光臨
• 執行緒的阻塞，喚醒的管理

基本設計思路

• 把競爭的執行緒和等待狀態，封裝成為Node物件
• AQS把這些Node，放到一個同步佇列中去，這個同步佇列是一個FIFO（先進先出）的一個雙向佇列，是基于CLH（貢獻者名字縮寫首字母，不用糾結這個）佇列實作的

• AQS使用int型別的成員變數來表示同步狀態，比如：是否有執行緒獲取鎖，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來實作對執行緒的喚醒和阻塞，執行緒的喚醒和阻塞便隨著同步佇列的維護，

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，自己可以具體實作子流程，整體的流程是不能變的，后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，沒有涉及到里面的中斷

AQS中獲取和釋放獨占鎖和共享鎖區別

獨占鎖：正常情況下，只有持有鎖的執行緒運行結束了，釋放鎖了，該節點才會出隊，

共享鎖：當前節點喚醒了下一個節點并且將下一個節點設定尾Head之后，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，

共享鎖：在獲取鎖的程序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呼叫setHeadAndPropagate()方法的時候，一個是在釋放鎖的時候，

5. ReentrantLock

ReentrantLock是Lock介面的實作，主要實作了可重入的獨占鎖的功能，與synchronized關鍵字功能型別

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：多個執行緒按照申請獲取鎖的先后順序來獲取鎖

非公平鎖：多個執行緒按照不是按照申請獲取鎖的先后順序來獲取鎖，比如搶占式獲取鎖，高并發的情況可能會造成饑餓現象

在ReentrantLock的原始碼中，公平鎖主要是通過判斷當前的AQS佇列是否有節點來控制當前節點是否獲得鎖，佇列中如果有節點那么tryAcquire()方法直接回傳false表示獲取鎖失敗，再將節點其排到佇列末尾，

ReentrantReadWriteLock

在實際的業務中，往往讀資料比寫資料更加頻繁，如果我們對讀資料使用共享鎖，對寫資料使用獨占鎖，那么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：

• 一個執行緒讀，另一個執行緒讀：共享
• 一個執行緒讀，另一個執行緒寫：互斥
• 一個執行緒寫，另一個執行緒讀：互斥
• 一個執行緒寫，另一個執行緒寫：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）的實作類，

• 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（如果一個執行緒持有寫鎖，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）

讀寫鎖的狀態存盤機制

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型別的變數表示state，總共32位，前16位表示讀鎖的同步狀態，后面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，保留后16位，

6. StampedLock類

ReentrantReadWriteLock中存在著一些問題，寫執行緒可能會出現“饑餓”問題；如果有執行緒在讀，那么寫執行緒是無法獲取寫鎖的，

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并發，

缺點：

其設計初衷使作為一個內部工具類來使用，用于輔助開發其他的執行緒安全組件，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，都會回傳一個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，實作類似的功能，

AQS是使用同步佇列來控制節點獲取鎖，在Condition中使用條件佇列來控制節點什么時候await()，什么時候signal()，與多個節點共用一個同步佇列不同的是，一個Conditon物件就對應一個條件佇列，

總體流程為，呼叫await()時，將節點加入等待佇列，然后將執行緒掛起，等待其他執行緒對其呼叫signal()方法，其他執行緒對其呼叫signal()方法后，將該節點從條件佇列中出隊，將其添加到同步佇列的末尾，然后將其喚醒，然后就走同步佇列的那一套流程，

8. ThreadLocal

ThreadLocal是用來存放執行緒自身相關資料的一個容器，提供執行緒本地變數，訪問這個變數的每個執行緒都會有這個變數的一個副本，執行緒操作資料的時候就會操作執行緒本地的資料，從而避免了執行緒安全性問題，

threadLocals其實是一個ThreadLocalMap型別的，在Thread類中的一個屬性，伴隨的執行緒的存在而存在，當我們設定ThreadLocal變數的時候，ThreadLocalMap中的key就是ThreadLocal，value就是ThreadLocal變數的值，

• 由于threadLocals是Thread的一個屬性，會跟著執行緒一直存在，為了避免記憶體溢位，在確定ThreadLocal資料以后不再使用后，要及時remove掉，

• 由于ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱參考作為key，如果一個ThreadLocal沒有外部關聯的強參考，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資料以后不再使用后，要及時remove掉，

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