【java基础 14】锁的粒度：ThreadLocal、volatile、Atomic和Synchronized

导读：题目中提到的几个关键字，分别是解决并发问题中，加锁所使用到的几个关键字，每个关键字代表的锁的粒度 不同，本篇博客，主要是从概念定义上，区分这几个关键字的应用场景。（PS：睡梦中，依稀记得有回面试的时候，问了我一个问题：你们在加锁的时候，加多大的锁？ 哇塞，当时愣了一下，压根儿就没有这个大小的概念，我真的以为都是一样的）

话说，就像加锁日记本的锁是个很小的艺术锁，保险箱一般是密码锁（或者什么指纹人脸瞳孔识别之类的），锁铁门的一般都是那种大号锁，所以，仅从生活考虑，这个锁也是分大小的，唉，为毛自己写代码的时候，却没有注意过，不过，应该说，我至今为止，只用过final和Synchronized ！好了，看下面的解析吧，话说多了都是泪！

首先，锁的粒度支持，也就是对Load、Store的各种顺序控制，load、store两两组合为4种情况：LoadLoad、StoreStore、LoadStore、StoreLoad，他们以一种指令屏障的方式来控制顺序。绝大部分系统，都支持StoreLoad。

备注：JVM中一些普通变量的操作指令

1，Load操作（将本地变量推至栈顶，用来给CPU调度运算）发生在read之后（之间可以有其他的指令）

2，普通变量的修改未必会理解发生Store操作（将栈顶的数据写入本地变量），但发生Store操作，就会发生write操作

一、ThreadLocal

ThreadLocal可以放一个线程级别的变量，但是它本身可以被多个线程共享使用，而且又可以达到线程安全的目的，且绝对线程安全

理解：这就是一个线程安全的全局变量，呵呵，全局变量，就是动一个地方，到处都变了的那位，再代码设计比较乱的情况下，如果用了很多ThreadLocal，那这个系统就会慢慢的神龙见首不见尾，要是再整出一个bug，就真的呵呵了。 要点：ThreadLocal是一种对象持有的方式，每个线程都有一个ThreadLocalMap，而这个ThradLocal则相当于是一个Key值，要保持的对象作为value值。

ThreadLocal的“坑”：

1，ThreadLocal是一个与线程绑定的变量，所以说，如果没有将ThreadLocal内的变量删除（remove）或替换，它的生命周期将与线程共存，第一个坑：不知道它的作用域范围

2，理论上说，线程结束后ThreadLcoal就会被回收，但事实可能并非如此。比如说，在线程池中对线程管理都是采用线程复用的方法，在线程池中线程很难结束甚至永远不会结束，第二个坑：ThreadLocal变量的生命周期不可预测

3，理论上每次set数据时，使用ThreadLocal本身作为Key，相同的Key肯定会替换原来的数据，原来的数据就会被释放，但是，如果ThreadLocal中直接或间接包装了集合类或复杂对象，每次从同一个ThreadLocal中取出对象，再对内容进行操作，第三个坑：内部的集合类和复杂对象所占用的空间膨胀

填坑tips：让ThreadLocal的入口和出口可控，用finally去remove数据，为了不破坏ThradLocal的入口，一般在使用之前，会调用get()方法判断是否为null

为什么说ThradLocal是与线程绑定的（java7源码），在jThreadLocal类中，主要包含三个方法：set()，get()，remove()

    /**
     * Returns the value in the current thread's copy of this
     * thread-local variable.  If the variable has no value for the
     * current thread, it is first initialized to the value returned
     * by an invocation of the {@link #initialValue} method.
     *
     * @return the current thread's value of this thread-local
     */
    public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null)
                return (T)e.value;
        }
        return setInitialValue();
    }
 /**
     * Sets the current thread's copy of this thread-local variable
     * to the specified value.  Most subclasses will have no need to
     * override this method, relying solely on the {@link #initialValue}
     * method to set the values of thread-locals.
     *
     * @param value the value to be stored in the current thread's copy of
     *        this thread-local.
     */
    public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
    }

    /**
     * Removes the current thread's value for this thread-local
     * variable.  If this thread-local variable is subsequently
     * {@linkplain #get read} by the current thread, its value will be
     * reinitialized by invoking its {@link #initialValue} method,
     * unless its value is {@linkplain #set set} by the current thread
     * in the interim.  This may result in multiple invocations of the
     * <tt>initialValue</tt> method in the current thread.
     *
     * @since 1.5
     */
     public void remove() {
         ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
         if (m != null)
             m.remove(this);
     }

备注：在任何异步程序中（包括异步I / O，非阻塞I / O）,ThreadLocal的参数传递都是不靠谱的，因为线程将请求发送后，就不再等待远程返回结果继续向下执行了，真正的返回结果得到后，处理的线程可能是另一个。

二、volatile

volatile被称为是“最轻量级的锁”，因为它只是在读这个瞬间要求一个简单的顺序，而不是一个变量上的原子读写，或者在一段代码上的同步！

volatile要求在对变量进行读\ 写操作时，其前后的指令在某些情况下不允许进行重排序，这种限制主要体现在以下3中情况：

1，如果是一条对volatile变量进行赋值操作的代码，那么在该代码前面的任何代码不能与这个赋值操作交换顺序；如果是一条读取volatile变量的代码，则正好相反

2，普通变量的读写操作相互之间是可以重排序的，只要不影响它们之间的逻辑语义顺序就可以重排序，但是如果普通变量的读\ 写操作遇上了volatile变量的操作，就需要遵循前一个基本原则

3，如果两个volatile变量的读/ 写操作都在一段代码中，则依然遵循前两个基本原则，此时不管两者之间的读\ 写顺序如何，都肯定不会重排序

理解：其实说到这个volatile变量，就想到那个sql，就是说发出sql查询语句，只会获取到发出sql语句时的数据块数据，而不会获取到之后的数据。比如说，我在9点1分1秒发出了一条查询语句，然后在9点1分2秒执行了update操作，那么我拿到的数据，只会是update之前的数据。这个volatile变量，感觉就是一样的，如果我有一个线程正在读取这个变量，那么另一个写操作的线程，就必须等待我这个读操作结束，因为这个volatile不允许重排序！

三、synchronized

Synchronized是一把锁，始终保证临界区的访问控制。临界区：指访问这个地方最多只能有一个线程在里面！

对于这一个，结合到自己在项目中应用，我只想问我自己一个问题：姑娘，你难道只会把Synchronized关键字加到方法块吗？我要反思的是，为什么我加锁的最小粒度是一个完整的方法？其实，很多时候，这个锁的范围真的变大了，频繁的锁征用，就进入了悲观锁的状态！在加锁的时候，应该注意一下锁的粒度问题，节省不必要的开销！

四、Atomic

PS：想想事务的原子性，再想想乐观锁的实现原理，这个东西秒懂

Atomic为我们提供了一些列java原子变量的操作方法，其中，Atomic提供的原子操作类有（java 7源码）：

可分为4中类型：

1，基本变量操作：Boolean，Integer，Long

2，引用（reference）操作：也就是对象引用的操作，可以做到原子级别，当多个线程对同一个引用发生修改时，只会有一个成功（存在对ABA问题的处理）

3，数组（Array）操作：这个操作并不是操作数组的对象，而是数组中的每一个元素，针对每一个元素的读写操作是线程安全的

4，Updater：java提供了一种updater机制，可以在原有的类定义volatile变量的基础上，实现一种原子性的管理，而不需要将变量本身定义为Atomic，这样可以在不破坏原有程序逻辑的基础上实现一致性的读写

简单说来，它的原子性实现，是基于可见性，修改前提取、修改后对比来确定是否写回到主存。请看下面的关键代码，以AtomicInteger为例（其他的几个操作类都类似，java7源码）：

/**
     * Atomically sets to the given value and returns the old value.
     *
     * @param newValue the new value
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndSet(int newValue) {
        for (;;) {
            int current = get();
            if (compareAndSet(current, newValue))
                return current;
        }
    }

    /**
     * Atomically sets the value to the given updated value
     * if the current value {@code ==} the expected value.
     *
     * @param expect the expected value
     * @param update the new value
     * @return true if successful. False return indicates that
     * the actual value was not equal to the expected value.
     */
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

从代码中对compareAndSet方法的调用，可以知道，它每次修改，都会有一个期待值和当前值的对比，如果一致，则写入！

实现原子性，主要就是两种方法，一种是总线加锁，也就是我们常说的悲观锁；另外一种就是缓存加锁，对应着乐观锁

五、总结

关于这几个关键字的介绍就到这里了，简单说来，volatile和ThreadLocal主要是加在变量上，而Synchronized和Atomic是代码块或者更大级别的锁（Atomic可以不破坏原有程序的逻辑）

以后自己再处理并发的时候，对于锁的概念，估计能清楚点。写这篇博客，看了书、参考了博客、还看了源码，我也真是够了！我足足写了差不多1天，就废在这几个关键字上，我勒个去。然后还有关于信号量的问题还没有解决，好多好多。。。。。。