25.Java锁的深度化

Java锁的深度化

悲观锁、乐观锁、排他锁

场景

当多个请求同时操作数据库时，首先将订单状态改为已支付，在金额加上200，在同时并发场景查询条件下，会造成重复通知。 SQL: Update

悲观锁与乐观锁

• 悲观锁:
  
  悲观锁悲观的认为每一次操作都会造成更新丢失问题，在每次查询时加上排他锁。 每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会block直到它拿到锁。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。
• 乐观锁:
  
  乐观锁会乐观的认为每次查询都不会造成更新丢失,利用版本字段控制

重入锁

锁作为并发共享数据，保证一致性的工具，在JAVA平台有多种实现(如 synchronized 和 ReentrantLock等等 ) 。这些已经写好提供的锁为我们开发提供了便利。 重入锁，也叫做递归锁，指的是同一线程 外层函数获得锁之后 ，内层递归函数仍然有获取该锁的代码，但不受影响。 在JAVA环境下 ReentrantLock 和synchronized 都是 可重入锁

public class SynchronizedTest implements Runnable {
    public synchronized void get(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" get()");
        set();
    }

    private synchronized void set() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" set()");
    }

    @Override
    public void run() {
        get();
    }
    public static void main(String[] args){
        SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();
        new Thread(test).start();
        new Thread(test).start();
        new Thread(test).start();
        new Thread(test).start();
    }
    //Thread-0 get()
    //Thread-0 set()
    //Thread-3 get()
    //Thread-3 set()
    //Thread-2 get()
    //Thread-2 set()
    //Thread-1 get()
    //Thread-1 set()
}

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockDemo extends Thread{
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public void get(){
        lock.lock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getId());
        set();
        lock.unlock();
    }

    private void set() {
        lock.lock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getId());
        lock.unlock();
    }

    @Override
    public void run() {
        get();
    }
    public static void main(String[] args){
        ReentrantLockDemo demo = new ReentrantLockDemo();
        new Thread(demo).start();
        new Thread(demo).start();
        new Thread(demo).start();
    }
    //10
    //10
    //11
    //11
    //12
    //12
}

读写锁

相比Java中的锁(Locks in Java)里Lock实现，读写锁更复杂一些。假设你的程序中涉及到对一些共享资源的读和写操作，且写操作没有读操作那么频繁。 在没有写操作的时候，两个线程同时读一个资源没有任何问题，所以应该允许多个线程能在同时读取共享资源。但是如果有一个线程想去写这些共享资源， 就不应该再有其它线程对该资源进行读或写（读-读能共存，读-写不能共存，写-写不能共存）。

原子类

java.util.concurrent.atomic包：原子类的小工具包，支持在单个变量上解除锁的线程安全编程

原子变量类相当于一种泛化的 volatile 变量，能够支持原子的和有条件的读-改-写操作。AtomicInteger 表示一个int类型的值，并提供了 get 和 set 方法，这些 Volatile 类型的int变量在读取和写入上有着相同的内存语义。它还提供了一个原子的 compareAndSet 方法（如果该方法成功执行，那么将实现与读取/写入一个 volatile 变量相同的内存效果），以及原子的添加、递增和递减等方法。AtomicInteger 表面上非常像一个扩展的 Counter 类，但在发生竞争的情况下能提供更高的可伸缩性，因为它直接利用了硬件对并发的支持。

为什么会有原子类

• CAS：Compare and Swap，即比较再交换。
  
  jdk5增加了并发包java.util.concurrent.*,其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的，这是一种独占锁，也是是悲观锁。
• 如果同一个变量要被多个线程访问，则可以使用该包中的类(原子类)
  • AtomicBoolean
  • AtomicInteger
  • AtomicLong
  • AtomicReference

常用原子类

Java中的原子操作类大致可以分为4类：原子更新基本类型、原子更新数组类型、原子更新引用类型、原子更新属性类型。这些原子类中都是用了无锁的概念，有的地方直接使用CAS操作的线程安全的类型。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicIntegerDemo implements Runnable{
    private static Integer count = 1;
    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();

    @Override
    public void run() {
        while (true){
//            int count = getCount();
            int count = getCountAtomic();
            System.out.println(count);
            if (count>=50){
                break;
            }
        }
    }

    private Integer getCountAtomic() {
        try {
            Thread.sleep(50);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return atomicInteger.incrementAndGet();
    }

    public synchronized Integer getCount(){
        try {
            Thread.sleep(50);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return count++;
    }
    public static void main(String[] args){
        AtomicIntegerDemo demo = new AtomicIntegerDemo();
        Thread t1 = new Thread(demo);
        Thread t2 = new Thread(demo);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

CAS(乐观锁算法)无锁机制

• 与锁相比，使用比较交换（下文简称CAS）会使程序看起来更加复杂一些。但由于其非阻塞性，它对死锁问题天生免疫，并且，线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小。更为重要的是，使用无锁的方式完全没有锁竞争带来的系统开销，也没有线程间频繁调度带来的开销，因此，它要比基于锁的方式拥有更优越的性能。
• 无锁的好处：
  • 在高并发的情况下，它比有锁的程序拥有更好的性能
  • 它天生就是死锁免疫的

CAS缺点

CAS存在一个很明显的问题，即ABA问题。

• 问题：如果变量V初次读取的时候是A，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A，那能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？
  
  如果在这段期间曾经被改成B，然后又改回A，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。针对这种情况，java并发包中提供了一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。

AtomicReference

• AtomicReference用以支持对象的原子操作：AtomicReference 可以封装引用一个V实例
• public final boolean compareAndSet(V expect, V update) ，可以支持并发访问，set的时候进行对比判断，如果当前值和操作之前一样则返回false，否则表示数据没有变化

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

/**
 * CAS算法：它包含三个参数CAS(V,E,N): V表示要更新的变量，E表示预期值，N表示新值。
 * 仅当V值等于E值时，才会将V的值设为N，如果V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。
 * 最后，CAS返回当前V的真实值
 */
public class SpinLockDemo implements Runnable {
    static int sum;
    private SpinLock lock;
    public SpinLockDemo(SpinLock lock) {
        this.lock = lock;
    }
    @Override
    public void run() {
        this.lock.lock();
        sum++;
        this.lock.unlock();
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        SpinLock spinLock = new SpinLock();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            SpinLockDemo demo = new SpinLockDemo(spinLock);
            Thread thread = new Thread(demo);
            thread.start();
        }
        Thread.currentThread().sleep(1000);
        System.out.println(sum);//100
    }
}

//自旋锁是采用让当前线程不停地的在循环体内执行实现的，当循环的条件被其他线程改变时 才能进入临界区
class SpinLock{
    //Java中的原子操作（CAS）
    //持有自旋锁的线程对象
    AtomicReference<Thread> sign = new AtomicReference<>();
    public void lock(){
        Thread thread = Thread.currentThread();
        //lock函数将thread设置为当前线程，并且预测原来的值为null
        //当有第二个线程调用lock操作时由于thread的值不为空，导致循环
        //一直被执行，直至第一个线程调用unclock函数将sign设置为null，第二个线程才能进入临界区
        while (!sign.compareAndSet(null,thread));
    }
    public void unlock(){
        //unlock将sign的值设置为null，并且预测值为当前线程
        Thread thread = Thread.currentThread();
        sign.compareAndSet(thread,null);
    }
}

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class AtomicReferenceTest {
    private static AtomicReference<Integer> ar = new AtomicReference<>(0);
    public static void test() throws InterruptedException{
        int count = 3;
        final int c = 3;
        final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(count);
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            new Thread(()->{
                for (int j = 0; j < c; j++) {
                    while (true){
                        Integer temp = ar.get();
                        System.out.println("temp="+temp);
                        //public final boolean compareAndSet(V expect, V update)
                        if (ar.compareAndSet(temp,temp+1)){
                            break;
                        }
                    }
                }
                latch.countDown();
            }).start();
        }
        latch.await();
        System.out.println(ar.get());
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        test();
        //temp=0
        //temp=0
        //temp=1
        //temp=2
        //temp=1
        //temp=3
        //temp=3
        //temp=4
        //temp=4
        //temp=5
        //temp=5
        //temp=6
        //temp=7
        //temp=8
        //9
    }
}

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * 原子量实现的计数器
 */
public class AtomicCounter {
    private AtomicInteger value = new AtomicInteger();
    public int getValue(){
        return value.get();
    }
    //+1
    public int increase(){
        // return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
        return value.incrementAndGet();
    }
    //+delta
    public int increase(int delta){
        // return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta;
        return value.addAndGet(delta);
    }
    //-1
    public int decrease(){
        // return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1) - 1;
        return value.decrementAndGet();
    }
    //-delta
    public int decrease(int delta){
        // return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta;
        return value.addAndGet(-delta);
    }
    public static void main(String[] args){
        final AtomicCounter counter = new AtomicCounter();
        ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threadPool.execute(()->{
                System.out.println(counter.increase(2));
            });
        }

        threadPool.shutdown();
    }
}

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

/**
 * 原子量实现的银行取款
 */
public class AtomicAccount {
    private AtomicLong balance;

    public AtomicAccount(long money) {
        balance = new AtomicLong(money);
        System.out.println("Total Money:"+balance);
    }
    //存钱
    public void deposit(long money){
        balance.addAndGet(money);
    }
    //取钱
    public void withdraw(long money){
        for (;;){
            long oldValue = balance.get();
            if (oldValue<money){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 余额不足!"+" 余额:"+balance);
                break;
            }
            try {
                Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            if (balance.compareAndSet(oldValue,oldValue-money)){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 取款:"+money + " 余额:"+balance);
                break;
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 遇到并发，再次尝试取款!");
        }
    }
    public static void main(String[] args){
        final AtomicAccount account = new AtomicAccount(1000);
        ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        int i = 0;
        while (i++<13){
            threadPool.execute(()->{
                account.withdraw(100);
            });
        }
        threadPool.shutdown();
    }
    //Total Money:1000
    //pool-1-thread-13 取款:100 余额:900
    //pool-1-thread-6 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-7 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-5 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-10 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-2 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-3 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-1 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-4 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-8 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-9 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-11 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-12 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-8 取款:100 余额:800
    //pool-1-thread-1 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-5 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-6 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-5 取款:100 余额:700
    //pool-1-thread-11 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-4 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-7 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-4 取款:100 余额:600
    //pool-1-thread-10 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-2 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-6 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-3 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-3 取款:100 余额:500
    //pool-1-thread-9 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-10 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-9 取款:100 余额:400
    //pool-1-thread-11 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-2 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-11 取款:100 余额:300
    //pool-1-thread-1 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-12 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-7 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-2 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-7 取款:100 余额:200
    //pool-1-thread-2 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-6 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-10 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-1 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-12 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-2 取款:100 余额:100
    //pool-1-thread-12 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-12 取款:100 余额:0
    //pool-1-thread-6 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-6 余额不足! 余额:0
    //pool-1-thread-10 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-10 余额不足! 余额:0
    //pool-1-thread-1 遇到并发，再次尝试取款!
    //pool-1-thread-1 余额不足! 余额:0
}