《Jave并发编程的艺术》学习笔记（1-2章）

Jave并发的艺术

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并发编程的挑战

上下文切换

CPU通过时间片分配算法来循环执行任务，当前时间片执行完之后会切换到下一个任务。但是，切换会保存上一个任务的状态，一遍下次切换回这个任务时，可以再次加载这个状态。所以任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。

如何减少上下文切换

减少上下文切换的方法有无锁并发编程、CAS算法、使用最少线程和使用协程

• 无锁并发编程：多线程竞争锁时，会引起上下文切换，所以多线程处理数据时，可以用一些办法避免使用锁，如将数据ID按照Hash算法取模分段，不同的线程处理不同段的数据
• CAS算法：Java的Atomic包使用CAS算法来更新数据，而不需要加锁
• 使用最少线程：避免创建不需要的线程，比如任务很少，但是创建了很多线程来处理，这样会造成大量线程都处于等待状态
• 协程：在单线程实现多任务的调度，并在单线程里维持多个任务间的切换

死锁

死锁常见的原因是，线程之间相互等待。避免死锁的几个常见方法：

• 避免一个线程获取多个锁
• 避免一个线程在锁内同时占用多个资源，尽量保证每个锁只占用一个资源
• 尝试使用定时锁，使用lock.tryLock(timeout)来代替使用内部锁机制
• 对于数据库锁，加锁和解锁必须在一个数据库连接里，否则会出现解锁失败的情况

底层实现原理

volatile

volatile的定义与实现原理

Java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获取这个变量。所以java提供了volatile，在某些情况下面比锁更加的方便。如果一个字段被声明为volatile，Java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。

volatile如何保证可见性：通过Lock前缀指令，对volatile进行写时，JVM会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存

• Lock前缀指令会引起处理器缓存行写回到内存
• 一个处理器的缓存回写会导致其他处理器的缓存无效

synchronized

synchronized的介绍

并发编程里面元老级别的存在，重量级的锁。Java里面每一个对象都可以作为锁

• 对于普通的方法，锁是当前实例的对象
• 对于静态同步方法，锁是当前类的Class对象
• 对于同步方法块，锁是Synchronized括号里配置的对象

Java对象头

synchronized用的锁是存在Java对象头里面的。对象头的内容

• Mark Word：存储对象的HashCode或锁信息
• Class Metadata Address：储存到对象类型数据的指针
• Array length：数组的长度

Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记，Mark Word里储存的数据会随着锁标志位的变化而变化。以下是四种状态的变化

• 轻量级锁：指向栈中锁记录的指针，锁标志位 00
• 重量级锁：指向互斥量（重量级锁）的指针 ，锁标志位 10
• GC标记：空，锁标志位 11
• 偏向锁：线程ID，Epoch，对象分代年龄，是否是偏向锁，锁标志位 01

锁的升级与对比

锁一共有四种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态，轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。注意：锁可以升级但是不能够降级。一些的设计目的只有一个。为了提高获得锁和释放锁的效率

• 偏向锁：大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由他同一个线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。如：当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程再次进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，仅仅判断一下对象头里面的Mark Word里面是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果有，表示当前线程已经获得了锁；如果没有，则使用CAS竞争锁，再尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程
• 轻量级锁：线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈帧中创建用于储存记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程就会获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便可以尝试通过自旋来获取锁，自旋失败之后，锁就会膨胀成重量级锁
• 重量级锁：因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋（如：获得锁的线程被阻塞住了），一旦锁升级为重量级锁就不会恢复到轻量级锁状态。当锁出于这个状态下，其他线程试图获取锁时，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进入新一轮的夺锁之争

原子操作的实现原理

原子（atomic），不能被进一步分割的最小粒子，原子操作：不能被中断的一个或一系列的操作。

处理器如何实现原子操作

• 第一个机制，通过总线锁来保证原子性
• 第二个机制，通过缓存锁定来保证原子性

Java如何实现原子操作

可以通过锁，和循环CAS的方式实现原子操作

CAS

CAS（Compare And Swap）：比较并且交换。一个旧值，一个新值，操作之前比较旧值有没有发生变化，如果没有发生变化，才换成新值，发生了变化则不交换

CAS存在的三大问题：

• ABA问题：CAS操作需要在操作的值的时候，检查值有没有发生变化。但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，使用CAS进行检查时会发现他的值没有发生变化，但是实际上他发生了变化。解决方案：给变量加上版本号
• 循环时间长开销大：自旋CAS如果不成功，会给CPU带来非常大的开销
• 只能保证一个共享变量的原子操作：JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作