JAVAEE初阶相关内容第十一弹--多线程(进阶)

目录

一、常见的锁策略

1乐观锁VS悲观锁

1.1乐观锁

1.2悲观锁

2.轻量级锁VS重量级锁

2.1轻量级锁

2.2重量级锁

3.自旋锁VS挂起等待锁

3.1自旋锁

3.2挂起等待锁

4.互斥锁VS读写锁

4.1互斥锁

4.2读写锁

5.公平锁VS非公平锁

5.1公平锁

5.2非公平锁

6.可重入锁VS不可重入锁

6.1可重入锁

6.2不可重入锁

7.关于synchronized

二、CAS

1.CAS涉及的下操作:

2.CAS的应用场景

2.1实现原子类

伪代码​编辑

2.2实现自旋锁

伪代码

3.CAS中的ABA问题

三、Synchronized原理

1.锁升级/锁膨胀

1.1无锁

1.2偏向锁

1.3轻量级锁

1.4重量级锁

2.锁消除

3.锁粗化


一、常见的锁策略

接下来进行学习的内容不仅仅局限于java,任何和“锁”相关的话题,都会涉及到。

1乐观锁VS悲观锁

站在锁冲突概率的预测角度

1.1乐观锁

假设数据一般情况下不会产生并发冲突,所以在数据进行提交更新的时候,才会正式对数据是否产生并发冲突进行检测,如果发现并发冲突了,则让返回用户错误信息,让用户决定如何去做。

1.2悲观锁

总是假设最坏的情况,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阻塞直到它拿到锁。

2.轻量级锁VS重量级锁

2.1轻量级锁

加锁解锁开销较小,效率更高

2.2重量级锁

开锁解锁开销较大,效率更低

站在加锁操作的开销角度

3.自旋锁VS挂起等待锁

3.1自旋锁

典型的轻量级锁,更大几率获取到锁,加锁速度快

3.2挂起等待锁

典型的重量级锁,“傻等”,被动的等待,省下来CPU去做别的工作,加锁的时间比较长。

4.互斥锁VS读写锁

4.1互斥锁

互斥锁:就是前面用过的像synchronized这样的锁,提供加锁和解锁两个操作。如果一个线程加锁了,另一个线程也尝试加锁,就会阻塞等待。

4.2读写锁

提供三种操作:(1)针对读加锁。(2)针对写加锁。(3)解锁

基于一个事实:多线程针对同一个变量并发读,这个时候是没有线程安全问题的,也不需要加锁控制。(读写锁就是针对这种情况采取的特殊的处理)

读锁和读锁之间没有互斥。写锁和写锁之间存在互斥。写锁和读锁之间存在互斥。(当前代码中,如果只是读操作,加读锁即可,如果有写操作,加写锁。)

5.公平锁VS非公平锁

5.1公平锁

这里的公平定义为:先来后到。B比C先来的,当A释放锁后,B就能先于C获取到锁。

5.2非公平锁

不遵守先来后到,B和C都有可能获取到锁。

OS内部的线程调度就可视为是随机的,如果不做任何额外的限制,锁就是非公平的,如果要想实现公平锁,就需要额外的数据结构,来记录线程们的先后顺序。

公平锁和非公平锁之间没有好坏之分,关键还得看适用场景。

6.可重入锁VS不可重入锁

6.1可重入锁

一个线程针对一把锁,连续加锁多次不会死锁。

6.2不可重入锁

一个线程针对一把锁,连续加锁两次,出现死锁。

7.关于synchronized

(1)synchronized既是一个悲观锁,也是一个乐观锁

synchronized默认是乐观锁,但是如果发现当前锁竞争比较激烈,就会变成悲观锁。

(2)synchronized既是轻量级锁,也是重量级锁。

synchronized默认是轻量级锁,如果发现当前锁竞争比较激烈的话,就会变成重量级锁。

(3)synchronizaed这里的轻量级锁,是基于自旋锁的方式实现的。synchronized这里的重量级锁是基于挂起等待锁的方式实现的。

(4)synchronized不是读写锁。

(5)synchronized是非公平锁。

(6)synchrnized是可重入锁。

上述谈到的六种锁策略可以视为是“锁的形容词”

二、CAS

全称:Compare and swap  比较和交换

1.CAS涉及的下操作:

我们设内存中的原始数据V,旧的预期值A,需要修改的新值B

1.比较A与的V值是否相等(比较)

2.如果比较相等。将B写入V(交换)

3.返回操作是否成功

此处特别的是,上述的CAS的过程并不是通过一段代码实现的,而是通过一条CPU指令完成的。也就是说CAS操作是原子的,就可以在一定程度上回避线程安全问题,所以说我们解决线程安全问题除了加锁之外就又有了一个新的方向。

CAS可以理解为是CPU给咱们提供的一个特殊的指令,通过这个指令,就可在一定程度上处理线程安全问题。

2.CAS的应用场景

2.1实现原子类

JAVA标准库中提供的类

AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

伪代码

使用原子类来解决线程安全问题代码实现:

创建两个线程,t1和t2,在前面的学习中,当两个线程不加锁的时候就会出现bug,所以采用了加锁策略,这里使用原子类来实现不需要加锁也可以达到预期的效果:

public class ThreadD28 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);//使用原子类来解决线程安全问题Thread t1 = new Thread(() ->{for (int i = 0; i < 50000; i++) {//因为java不支持运算符重载,所以只能使用普通方法来表示自增自减count.getAndIncrement();}});Thread t2 = new Thread(() ->{for (int i = 0; i < 50000; i++) {count.getAndIncrement();}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(count.get());}
}

运行结果:

2.2实现自旋锁

伪代码

3.CAS中的ABA问题

CAS在运行中的核心,检查value和oldValue是否一致,如果一致就视为value没有被修改过,所以进行下一步的交换操作是没问题的。但是需要注意的是,这里的一致,可能是改过但是还原回来的。【买手机,可能是新机也有可能是翻新机,被销售商回收了,经过一些翻新的操作,将外壳换掉,重新包装】

下面看一个取钱的例子(概率极低!!)

以上情况发生的概率极低,但是这种问题一旦出现的话就是容易解决的,提前防患于未然是更好的选择。针对当前的问题,采取的方案就是加上一个版本号想象成初始的版本号是1,每次修改的版本号都+1,然后进行CAS的时候,就不是以金额为准了,而是以版本号为基准,此时版本号要是没变就一定没发生改变(版本号只能增长,不能降低)

三、Synchronized原理

两个线程针对同一个对象加锁,就会产生阻塞等待。

synchronized内部还有一些优化机制,存在的目的是了让这个锁更高效更好用。

1.锁升级/锁膨胀

1.1无锁

1.2偏向锁

在进行加锁的时候,首先要进入到偏向锁的状态。偏向锁并不是真正的加锁,而是占个位置,有需要才会进行加锁,没需要就不必加。相当于“懒汉模式”中提到的懒加载一样。偏向锁的状态,做个标记(这个过程是非常轻量的)如果使用锁的过程中,没有出现锁竞争在synchronized执行完之后,解除偏向锁即可,但是如果使用过程中,另一个线程也尝试加锁,这个时候就会迅速的将偏向锁升级称为真正的加锁状态,另外的一个线程也只能阻塞等待了。

1.3轻量级锁

当synchronized发生锁竞争的时候,就会从偏向锁升级为轻量级锁,此时,synchronized相当于通过自旋的方式来进行加锁的(就类似于上述的CAS中的伪代码)

1.4重量级锁

如果要是很快别人就释放了锁,自旋还是划算的,但是如果迟迟拿不到锁,一直自旋是不划算的,synchronized自旋不是无休止的,自旋到一定程度,就会在再次升级成为重量级锁(挂起等待锁)。这个锁则是基于操作系统的原生API来进行加锁的,linux原生提供了mutex一组API,操作系统内核提供的加锁功能,这个锁会影响到线程的调度。此时如果线程进行了重量级的加锁,并且发生了锁竞争,此时线程会被放在阻塞队列中,不参与CPU的调度。然后直到锁被释放,这个线程才有机会被调度到,并且有机会获取到锁。

2.锁消除

编译器智能的判定,看当前代码是否真的要加锁,如果这个场景不需要加锁,程序员加了,就会自动的把锁消除。

例如StringBuffer,关键的方法有synchronized,但是如果在单线程中使用StringBuffer,synchronized加了也白加,此时编译器就会直接将加锁操作消除。

3.锁粗化

锁的粒度:synchronized包含的代码越多,粒度就越粗,包含的代码越少,粒度就越细。

一般情况下,认为锁的粒度细一点是比较好的,加锁部分的代码是不能并发执行的,锁的粒度越细,能并发的代码就越多,反之则越少。但是有些情况下,锁的粒度粗一些就更好。

十一弹的续集会进行更新这一部分中在面试中的高频考点~

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