并发编程三大特性：1、原子性

我就是我 2024-03-22 18:22 112阅读 0赞

**目录**

1.1 什么是并发编程的原子性

1.2 保证并发编程的原子性

1.2.1 synchronized

1.2.2 CAS

1.2.3 Lock锁

1.2.4 ThreadLocal

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### 1.1 什么是并发编程的原子性 ###

JMM（Java Memory Model）。不同的硬件和不同的操作系统在内存上的操作有一定差异的。Java为了解决相同代码在不同操作系统上出现的各种问题，用JMM屏蔽掉各种硬件和操作系统带来的差异。

让Java的并发编程可以做到跨平台。

JMM规定所有变量都会存储在主内存中，在操作的时候，需要从主内存中复制一份到线程内存（CPU内存），在线程内部做计算。**然后再写回主内存中（不一定！）。**

**原子性的定义：原子性指一个操作是不可分割的，不可中断的，一个线程在执行时，另一个线程不会影响到他。**

并发编程的原子性用代码阐述：

private static int count;
    
    public static void increment(){
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        count++;
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
               increment();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                increment();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(count);
    }

当前程序：多线程操作共享数据时，预期的结果，与最终的结果不符。

**原子性：多线程操作临界资源，预期的结果与最终结果一致。**

通过对这个程序的分析，可以查看出，++的操作，一共分为了三部，首先是线程从主内存拿到数据保存到CPU的寄存器中，然后在寄存器中进行+1操作，最终将结果写回到主内存当中。

### 1.2 保证并发编程的原子性 ###

#### 1.2.1 synchronized ####

因为++操作可以从指令中查看到

![5101a06ba89ef3fa1c54c72fee552c91.png][]

可以在方法上追加synchronized关键字或者采用同步代码块的形式来保证原子性

synchronized可以让避免多线程同时操作临街资源，同一时间点，只会有一个线程正在操作临界资源

![10d695b1b3b6bce470ff051690d40590.png][]

#### 1.2.2 CAS ####

到底什么是CAS

compare and swap也就是比较和交换，他是一条CPU的并发原语。

他在替换内存的某个位置的值时，首先查看内存中的值与预期值是否一致，如果一致，执行替换操作。这个操作是一个原子性操作。

Java中基于Unsafe的类提供了对CAS的操作的方法，JVM会帮助我们将方法实现CAS汇编指令。

但是要清楚CAS只是比较和交换，在获取原值的这个操作上，需要你自己实现。

private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                count.incrementAndGet();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                count.incrementAndGet();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(count);
    }

Doug Lea在CAS的基础上帮助我们实现了一些原子类，其中就包括现在看到的AtomicInteger，还有其他很多原子类……

**CAS的缺点**：CAS只能保证对一个变量的操作是原子性的，无法实现对多行代码实现原子性。

**CAS的问题**：

*  **ABA问题**：问题如下，可以引入版本号的方式，来解决ABA的问题。Java中提供了一个类在CAS时，针对各个版本追加版本号的操作。 AtomicStampeReference
    
    ![4e70dbba8e8945efceab591c0c81406e.png][]
 *  AtomicStampedReference在CAS时，不但会判断原值，还会比较版本信息。
 *      public static void main(String[] args) {
            AtomicStampedReference<String> reference = new AtomicStampedReference<>("AAA",1);
        
            String oldValue = reference.getReference();
            int oldVersion = reference.getStamp();
        
            boolean b = reference.compareAndSet(oldValue, "B", oldVersion, oldVersion + 1);
            System.out.println("修改1版本的：" + b);
        
            boolean c = reference.compareAndSet("B", "C", 1, 1 + 1);
            System.out.println("修改2版本的：" + c);
        }
        
 *  **自旋时间过长问题**：
    
     *  可以指定CAS一共循环多少次，如果超过这个次数，直接失败/或者挂起线程。（自旋锁、自适应自旋锁）
     *  可以在CAS一次失败后，将这个操作暂存起来，后面需要获取结果时，将暂存的操作全部执行，再返回最后的结果。

#### 1.2.3 Lock锁 ####

Lock锁是在JDK1.5由Doug Lea研发的，他的性能相比synchronized在JDK1.5的时期，性能好了很多多，但是在JDK1.6对synchronized优化之后，性能相差不大，但是如果涉及并发比较多时，推荐ReentrantLock锁，性能会更好。

实现方式：

private static int count;
    
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    
    public static void increment()  {
        lock.lock();
        try {
            count++;
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    
    
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                increment();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                increment();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(count);
    }

ReentrantLock可以直接对比synchronized，在功能上来说，都是锁。

但是ReentrantLock的功能性相比synchronized更丰富。

**ReentrantLock底层是基于AQS实现的，有一个基于CAS维护的state变量来实现锁的操作。**

#### 1.2.4 ThreadLocal ####

**Java中的四种引用类型**

Java中的使用引用类型分别是**强，软，弱，虚**。

User user = new User（）；

在 Java 中最常见的就是强引用，把一个对象赋给一个引用变量，这个引用变量就是一个强引用。当一个对象被强引用变量引用时，它始终处于可达状态，它是不可能被垃圾回收机制回收的，即使该对象以后永远都不会被用到 JVM 也不会回收。因此强引用是造成 Java 内存泄漏的主要原因之一。

SoftReference

其次是软引用，对于只有软引用的对象来说，当系统内存足够时它不会被回收，当系统内存空间不足时它会被回收。软引用通常用在对内存敏感的程序中，作为缓存使用。

然后是弱引用，它比软引用的生存期更短，对于只有弱引用的对象来说，只要垃圾回收机制一运行，不管 JVM 的内存空间是否足够，总会回收该对象占用的内存。可以解决内存泄漏问题，ThreadLocal就是基于弱引用解决内存泄漏的问题。

最后是虚引用，它不能单独使用，必须和引用队列联合使用。虚引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态。不过在开发中，我们用的更多的还是强引用。

ThreadLocal保证原子性的方式，是不让多线程去操作**临界资源**，让每个线程去操作属于自己的数据

代码实现

static ThreadLocal tl1 = new ThreadLocal();
    static ThreadLocal tl2 = new ThreadLocal();
    
    public static void main(String[] args) {
        tl1.set("123");
        tl2.set("456");
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            System.out.println("t1:" + tl1.get());
            System.out.println("t1:" + tl2.get());
        });
        t1.start();
    
        System.out.println("main:" + tl1.get());
        System.out.println("main:" + tl2.get());
    }

ThreadLocal实现原理：

*  每个Thread中都存储着一个成员变量，ThreadLocalMap
 *  ThreadLocal本身不存储数据，像是一个工具类，基于ThreadLocal去操作ThreadLocalMap
 *  ThreadLocalMap本身就是基于Entry\[\]实现的，因为一个线程可以绑定多个ThreadLocal，这样一来，可能需要存储多个数据，所以采用Entry\[\]的形式实现。
 *  每一个现有都自己独立的ThreadLocalMap，再基于ThreadLocal对象本身作为key，对value进行存取
 *  ThreadLocalMap的key是一个弱引用，弱引用的特点是，即便有弱引用，在GC时，也必须被回收。这里是为了在ThreadLocal对象失去引用后，如果key的引用是强引用，会导致ThreadLocal对象无法被回收

ThreadLocal内存泄漏问题：

*  如果ThreadLocal引用丢失，key因为弱引用会被GC回收掉，如果同时线程还没有被回收，就会导致内存泄漏，内存中的value无法被回收，同时也无法被获取到。
 *  只需要在使用完毕ThreadLocal对象之后，及时的调用remove方法，移除Entry即可

![cbc15e40940758ae81b9c5101977426b.png][]

[5101a06ba89ef3fa1c54c72fee552c91.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/18/ed69c5af326d4d3a9b30a31e8dc1a303.png
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[4e70dbba8e8945efceab591c0c81406e.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/18/954a44cdaaf54dc2bc2c727529b53c65.png
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