Java 知识点总结之Java 并发 API（一）

亦凉 2022-05-28 04:20 157阅读 0赞

### 1、什么是CAS ###

答：（1）CAS是一种系统原语（所谓原语属于操作系统用语范畴。原语由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程。primitive or atomic action 是由若干个机器指令构成的完成某种特定功能的一段程序，具有不可分割性·即原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断）。

（2）CAS是Compare And Set的缩写。CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。

**直接使用字段偏移量取内存值**。

compareAndSwapInt就是借助C来调用CPU底层指令实现的。

private volatile int value;
    public final int get() {
            return value;
    }
    //实现++1
    public final int incrementAndGet() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return next;
        }
    }

（3）CAS缺点：

ABA问题：因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。

循环时间长开销大：旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。

只能保证一个共享变量的原子操作：当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

补充：AtomicReference是通过"volatile"和"Unsafe提供的CAS函数实现"原子操作。

(01) value是volatile类型。这保证了：当某线程修改value的值时，其他线程看到的value值都是最新的value值，即修改之后的volatile的值。**对象中的变量也需要volatile类型！**

(02) 通过CAS设置value。这保证了：当某线程池通过CAS函数(如compareAndSet函数)设置value时，它的操作是原子的，即线程在操作value时不会被中断。

for (int i = 0; i < 100; i++) {
    			new Thread() {
    				public void run() {
    					for (int j = 0; j < 10; j++) {
    						Person p = personRef.get();
    						p.setId(p.getId()+1);
    						if (!personRef.compareAndSet(null, p)) {
    							System.out.println(p.getId());
    						}
    					}
    				}
    			}.start();
    		}

### 2、自旋锁的原理 ###

答：（1）获取自旋锁时锁已经有保持者，那么获取锁操作将自旋在那里，直到该自旋锁的保持者释放了锁。简单而言就是：**利用CAS原理，做无限for循环。**

（2）自旋锁比较适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况。正是由于自旋锁使用者一般保持锁时间非常短，因此选择自旋而不是睡眠是非常必要的，自旋锁的效率远高于互斥锁。

（3）缺点：

递归死锁，递归程序决不能在持有自旋锁时调用它自己，也决不能在递归调用时试图获得相同的自旋锁。

过多占用cpu资源，一般自旋锁实现会有一个参数限定最多持续尝试次数. 超出后, 自旋锁放弃当前time slice. 等下一次机会

### 3、UNSAFE的原理 ###

答：Unsafe类提供了硬件级别的原子操作，主要提供了以下功能：

（1）      通过Unsafe类可以分配内存，可以释放内存；提供的3个本地方法allocateMemory、reallocateMemory、freeMemory分别用于分配内存，扩充内存和释放内存

（2）      可以定位对象某字段的内存位置，也可以修改对象的字段值，即使它是私有的；

（3）      挂起与恢复：Unsafe.park()

（4）      CAS操作

补充：unsafe涉及到的偏移量，其实就是类成员变量在内存中的偏移量

stateOffset = unsafe.objectFieldOffset (AbstractQueuedSynchronizer.class.getDeclaredField("state"));

### 4、AQS实现原理 ###

答：

![70][]

它维护了一个volatile intstate（代表共享资源）和一个FIFO线程等待队列（多线程争用资源被阻塞时会进入此队列）。这里volatile是核心关键词，具体volatile的语义，在此不述。state的访问方式有三种:

getState()、setState()、compareAndSetState()

AQS定义两种资源共享方式：Exclusive（独占，只有一个线程能执行，如ReentrantLock）和Share（共享，多个线程可同时执行，如Semaphore/CountDownLatch）。

定义同步器在实现时只需要实现共享资源state的获取与释放方式即可

isHeldExclusively()：该线程是否正在独占资源。只有用到condition才需要去实现它。

tryAcquire(int)：独占方式。尝试获取资源，成功则返回true，失败则返回false。

tryRelease(int)：独占方式。尝试释放资源，成功则返回true，失败则返回false。

tryAcquireShared(int)：共享方式。尝试获取资源。负数表示失败；0表示成功，但没有剩余可用资源；正数表示成功，且有剩余资源。

tryReleaseShared(int)：共享方式。尝试释放资源，如果释放后允许唤醒后续等待结点返回true，否则返回false。

protected final boolean tryReleaseShared(int releases) { //Semaphore
                for (;;) {
                    int current = getState();
                    int next = current + releases;
                    if (next < current) // overflow
                        throw new Error("Maximum permit count exceeded");
                    if (compareAndSetState(current, next))
                        return true;
                }
            }
    		
    		
    		
    		protected final boolean tryRelease(int releases) { //ReentreLock
                int c = getState() - releases;
                if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                    throw new IllegalMonitorStateException();
                boolean free = false;
                if (c == 0) {
                    free = true;
                    setExclusiveOwnerThread(null);
                }
                setState(c);
                return free;
            }

### 5、ReentrantLock的Condition ###

答：Condition 将 Object 监视器方法（wait、notify 和 notifyAll）分解成截然不同的对象，以便通过将这些对象与任意 Lock 实现组合使用，为每个对象提供多个等待 set （wait-set）。

其中，Lock 替代了 synchronized 方法和语句的使用，Condition 替代了 Object 监视器方法的使用。

在Condition中，用await()替换wait()，用signal()替换notify()，用signalAll()替换notifyAll()，传统线程的通信方式，Condition都可以实现，这里注意，Condition是被绑定到Lock上的，要创建一个Lock的Condition必须用newCondition()方法。

Condition的强大之处在于它可以为多个线程间建立不同的Condition

public class MyBlockingQueue {
    	private final Lock lock = new ReentrantLock();
    	private Condition addCondition = lock.newCondition();
    	private Condition takeCondition = lock.newCondition();
    
    	private Object[] data;
    	private int count = 0;
    	private int position = -1;
    
    	public MyBlockingQueue(int size) {
    		this.data = new Object[size];
    	}
    
    	public void add(Object obj) {
    		lock.lock();
    		try {
    			while (count == this.data.length) {
    				try {
    					addCondition.await();
    				} catch (InterruptedException e) {
    					e.printStackTrace();
    				}
    			}
    
    			this.data[++position] = obj;
    
    			count++;
    			takeCondition.signalAll();
    		} finally {
    			lock.unlock();
    		}
    	}
    
    	public Object take() {
    		lock.lock();
    		try {
    			while (count == 0) {
    				try {
    					takeCondition.await();
    				} catch (InterruptedException e) {
    					e.printStackTrace();
    				}
    			}
    
    			Object obj = this.data[position--];
    			count--;
    			addCondition.signalAll();
    			return obj;
    		} finally {
    			lock.unlock();
    		}
    	}
    }

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