Java多线程(3)---锁策略、CAS和JUC

目录

前言

一.锁策略

1.1乐观锁和悲观锁

⭐ 两者的概念

⭐实现方法

1.2读写锁

 ⭐概念

⭐实现方法

1.3重量级锁和轻量级锁

1.4自旋锁和挂起等待锁

⭐概念

⭐代码实现

1.5公平锁和非公平锁

1.6可重入锁和不可重入锁

二.CAS

2.1为什么需要CAS

2.2CAS是什么

⭐CAS的介绍

⭐CAS工作原理

2.3CAS存在的问题        

2.4CAS的应用

⭐实现原子类        

⭐实现自旋锁

2.5CAS的缺点

三.JUC

 3.1ReentrantLock类

3.2Semaphore类

3.3CountDownLatch类

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🎄 本章讲解内容：多线程的策略锁、CAS和JUC

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前言

        在上章的 多线程二 中，我们学习到为了线程安全，我们需要进行加锁操作，锁这个概念不仅仅只存在于Java当中，锁也分很多种类。CAS在多线程二的讲解中稍微提及过，至于JUC则是指java.util.concurrent的常见类。

一.锁策略

        锁策略一共有10种，在面试的过程当中也是非常重要的，我们需要了解锁策略的每一种。

在面试当中，你的面试官是会询问你的哦，所以为了自己的大钱途，努力学习吧！！！

1.1乐观锁和悲观锁

⭐ 两者的概念

• 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。
• 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，则让返回用户错误的信息，让用户决定如何去做。

抽象表达：

        悲观锁，就相当于学生向老师提问，但是学生认为老师不一定有空，因此先发个信息给老师，老师说有空，则立马去解答，如果没空(被其他线程加锁)，则等待老师有空(解锁)。

        乐观锁，学生不认为老师很忙，直接去询问老师，结果2种，老师如果有空则会解答，没空就下次来询问。

⭐实现方法

悲观锁：使用synchronized关键字来实现，正常的加锁行为。

乐观锁：添加一个版本号，通过在进行数据更新操作时，先读取数据并记录版本号，然后在更新数据时检查版本号是否一致。如果版本号一致，说明没有其他线程修改过数据，可以进行更新；如果版本号不一致，说明其他线程已经修改过数据，更新。

乐观锁Java代码实现：

public class Counter {private int count = 0;private int version = 0;    //版本号public void increment() {       while (true) {int currentVersion = version;if (compareAndSet(currentVersion)) {count++;break;}}}public int getCount() {return count;}public synchronized boolean compareAndSet(int expectVersion) {if (version == expectVersion) {version++;        //版本号相同时，执行一次操作+1return true;}return false;        //版本号不同，则返回false}}

compareAndSet方法实现了基于版本号的乐观锁。increment方法先读取当前的版本号，然后在一个while循环中不断尝试更新数据，如果compareAndSet方法返回true，则表示更新成功，否则需要继续重试。

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结论：悲观锁通过加锁保护共享资源，保证线程安全。乐观锁则通过无锁编程的方式提高并发性能。开发人员需要根据实践场景选择适应的锁。

1.2读写锁

 ⭐概念

   多线程之间，数据的读取方之间不会产生线程安全问题，但数据的写入方互相之间以及和读者之间都需要进行互斥。如果两种场景下都用同一个锁，就会产生极大的性能损耗。所以读写锁因此而产生。

一个线程对于数据的访问, 主要存在两种操作: 读数据 和 写数据.

• 两个线程都只是读一个数据, 此时并没有线程安全问题. 直接并发的读取即可.
• 两个线程都要写一个数据, 有线程安全问题.
• 一个线程读另外一个线程写, 也有线程安全问题

⭐实现方法

         读写锁将读操作和写操作区分对待，而为了实现读写锁，Java标准库提供了ReentrantReadWriteLock 类,在该类中又使用了2种类分别实现了读锁和写锁。

• ReentrantReadWriteLock.ReadLock 类表示一个读锁. 这个对象提供了 lock / unlock 方法进行
  加锁解锁.
• ReentrantReadWriteLock.WriteLock 类表示一个写锁. 这个对象也提供了 lock / unlock 方法进
  行加锁解锁.
   

ReentrantReadWriteLock.ReadLock 类代码实现：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;public class ReadLockDemo {private static ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();private static ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = lock.readLock();public static void main(String[] args) {new Thread(ReadLockDemo::read).start();new Thread(ReadLockDemo::read).start();}public static void read() {try {readLock.lock();    //加锁System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取了读锁");// 执行读操作Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {readLock.unlock();    //解锁System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了读锁");}}
}

ReentrantReadWriteLock.WriteLock 类代码实现：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;public class MyReadWriteLock {private ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();public void writeData() {ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = lock.writeLock();writeLock.lock();    //加锁try {// 从文件或数据库中写入数据System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is writing data...");Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {writeLock.unlock();    //解锁}}
}

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结论：读加锁和读加锁之间, 不互斥、写加锁和写加锁之间, 互斥、读加锁和写加锁之间, 互斥.

1.3重量级锁和轻量级锁

        所谓的重量和轻量，就是开销程度大和小。重量级锁：加锁的开销比较大(花的时间多、占用系统资源多).轻量级锁：加锁开销小(花的时间少、占用系统资源少）。

重量级锁：交给 OS 管理锁的争抢，释放 CPU 资源，ReentrantLock 类表示重量级锁

轻量级锁：JVM 自己管理锁的争抢（无锁，自旋锁），CPU资源不释放，实现基于CAS。

注：一个悲观锁可能是重量级锁、一个乐观锁可能是轻量锁

1.4自旋锁和挂起等待锁

⭐概念

        自旋锁是一种典型的 轻量级锁 的实现方式.
优点: 没有放弃 CPU, 不涉及线程阻塞和调度, 一旦锁被释放, 就能第一时间获取到锁.
缺点: 如果锁被其他线程持有的时间比较久, 那么就会持续的消耗 CPU 资源. 

        挂起等待锁是一种典型的 重量级锁 的实现方式

优点：避免线程的空轮询，确保在锁被释放后立即获取到锁，可以避免不必要的自旋浪费CPU资源。

缺点：增加了系统资源消耗和线程的等待时间。

⭐代码实现

自旋锁的代码实现：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;public class SpinLock {private AtomicReference<Thread> lock = new AtomicReference<>();public void lock() {Thread currentThread = Thread.currentThread();while (!lock.compareAndSet(null, currentThread)) {// 自旋等待}}public void unlock() {Thread currentThread = Thread.currentThread();lock.compareAndSet(currentThread, null);}
}

挂起等待锁代码实现：

public class WaitLockExample {private final Object lock = new Object();private boolean isLocked = false;public void foo() throws InterruptedException {synchronized(lock) {while(isLocked) {  //挂起等待中lock.wait();}// 执行线程的操作isLocked = true;}}public void bar() {synchronized(lock) {// 执行线程的操作isLocked = false;lock.notify();}}
}

1.5公平锁和非公平锁

        公平锁：遵循先来后到的原则，例如：线程A、B、C依次来，当A释放锁时，按顺序则下一个加锁的线程为B。

        非公平锁：不遵守先来后到的原则，例如:线程A、B、C依次来，当A释放锁时，结果下一个加锁的线程为C，而不是B

注：操作系统内部的线程调度就可以视为是随机的. 如果不做任何额外的限制, 锁就是非公平锁. 如果要想实现公平锁, 就需要依赖额外的数据结构, 来记录线程们的先后顺序.synchronized 是非公平锁.
 

1.6可重入锁和不可重入锁

        可重入锁：“可以重新进入的锁”，即允许同一个线程多次获取同一把锁。

情况：递归函数里有加锁操作，递归过程中这个锁会阻塞自己吗？不会，那么这个锁就是可重入锁而若是发生阻塞，那么自己阻塞自己，无法解锁，导致了死锁。 

Java中：以Reentrant开头命名的锁都是可重入锁，而且JDK提供的所有现成的Lock实现类，包括synchronized关键字锁都是可重入的。
      不可重入锁：只判断这个锁有没有被锁上，只要被锁上申请锁的线程都会被要求等待。实现简单

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二.CAS

2.1为什么需要CAS

        多个线程同时访问锁，那么一些线程将被挂起，当线程恢复执行时，必须等待其它线程执行完他们的时间片以后才能被调度执行，在挂起和恢复执行过程中存在着很大的开销。锁还存在着其它一些缺点，当一个线程正在等待锁时，它不能做任何事。如果一个线程在持有锁的情况下被延迟执行，那么所有需要这个锁的线程都无法执行下去。如果被阻塞的线程优先级高，而持有锁的线程优先级低，将会导致优先级反转。
        CAS可以解决这一类弊端，鉴别线程冲突，一旦检测到冲突，就重复当前操作直到没有冲突为止。与锁相比，CAS会使得程序设计比较复杂，但是由于其天生免疫死锁（根本就没有锁，当然就不会有线程一直阻塞了），更为重要的是使用无锁的方式没有锁竞争带来的开销，也没有线程间频繁调度带来的开销，他比基于锁的方式有更优越的性能，所以在目前已经被广泛应用。
 

2.2CAS是什么

⭐CAS的介绍

        CAS机制全称compare and swap，翻译为比较并交换，是一种有名的无锁（lock-free）算法。只有一步原子操作，所以非常快。而且CAS避免了请求操作系统来裁定锁的问题，直接在CPU内部就完成了。

CAS工作伪代码：真实的 CAS 是一个原子的硬件指令完成的. 这个伪代码只是辅助理解

CAS是由CPU支持的原子操作，其原子性是在硬件层面进行保证的。 

注：一个线程的CAS先访问到内存，另一个后访问内存。

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⭐CAS工作原理

CAS包含3个值：

• 需要读写的内存位置(V)
• 原来的值(A)
• 期待更新的值(B)。

CAS操作逻辑如下：如果内存位置V的值等于预期的A值，则将该位置更新为新值B，否则不进行任何操作。许多CAS的操作是自旋的：如果操作不成功，会一直重试，直到操作成功为止。

2.3CAS存在的问题        

ABA问题                                                                                                                                          因为CAS会检查旧值有没有变化，因此存在一个问题。比如一个旧值A变为了成B，然后再变成A，刚好在做CAS时检查发现旧值并没有变化依然为A，但是实际上的确发生了变化。解决方案：沿袭数据库中常用的乐观锁方式，添加一个版本号可以解决。原来的变化路径A->B->A就变成了1A->2B->3C。Java 1.5后的atomic包中提供了AtomicStampedReference来解决ABA问题，解决思路就是这样的。

自旋时间过长                                                                                                                                    使用CAS时非阻塞同步，也就是说不会将线程挂起，会自旋（无非就是一个死循环）进行下一次尝试，如果这里自旋时间过长对性能是很大的消耗。如果JVM能支持处理器提供的pause指令，那么在效率上会有一定的提升。

只能保证一个共享变量的原子操作                                                                                                 当对一个共享变量执行操作时CAS能保证其原子性，如果对多个共享变量进行操作，CAS就不能保证其原子性。

解决方案：利用对象整合多个共享变量，即一个类中的成员变量就是这几个共享变量。然后将这个对象做CAS操作就可以保证其原子性。atomic中提供了AtomicReference来保证引用对象之间的原子性。

2.4CAS的应用

⭐实现原子类        

Java标准库中提供了 java.util.concurrent.atomic 包, 里面的类都是基于这种方式来实现的.
        典型的就是 AtomicInteger 类. 其中的 getAndIncrement 相当于 i++ 操作

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);atomicInteger.getAndIncrement(); // i++atomicInteger.incrementAndGet(); //++iatomicInteger.getAndDecrement(); //i--atomicInteger.decrementAndGet(); //--i

代码示例： 

private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 50000; i++) {// count++count.getAndIncrement();             }});Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 50000; i++) {count.getAndIncrement();}});t1.start();t2.start();System.out.println(count.get());  //输出结果：100000}

如上述代码，此时就不会存在相加时，覆盖相同的值了，因此结果为100000.

⭐实现自旋锁

        基于 CAS 实现更灵活的锁, 获取到更多的控制权.

自旋锁的代码实现：

public class SpinLock {
private Thread owner = null;
public void lock(){// 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有.// 如果这个锁已经被别的线程持有, 那么就自旋等待.// 如果这个锁没有被别的线程持有, 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程.while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){}}public void unlock (){this.owner = null;}
}

通过CAS判定出，当前变量的自增过程当中，是否有其他线程穿插进来了。

2.5CAS的缺点

1. 一次性只能保证一个共享变量的原子性                                                                                   ​当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁来保证原子性。
2. 循环会耗时                                                                                                                             我们可以看到getAndAddInt方法执行时，如果CAS失败，会一直进行尝试。如果CAS长时间一直不成功，可能会给CPU带来很大的开销。

​ 在并发冲突概率大的高竞争环境下，如果CAS一直失败，会一直重试，CPU开销较大。针对这个问题的一个思路是引入退出机制，如重试次数超过一定阈值后失败退出。当然，更重要的是避免在高竞争环境下使用乐观锁。

     3.存在ABA问题

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三.JUC

        JUC工具包全名:java.util.concurrent，专门处理线程的工具包，从jdk1.5开始出现。

目的：为了更好的支持高并发任务。让开发者进行多线程编程时减少竞争条件和死锁的问题！ 

而JUC中常见的类有：ReentrantLock ：可重入锁；Semaphore ：信号量；
                                   ountDownLatch ：计数器；   CyclicBarrier ：循环屏障。

 3.1ReentrantLock类

ReentrantLock类：可重入互斥锁. 和 synchronized 定位类似, 都是用来实现互斥效果, 保证线程安全.

// ReentrantLock 的构造方法
public ReentrantLock(boolean fair) {sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

用法：

1. lock(): 加锁, 如果获取不到锁就死等；
2. trylock(超时时间): 加锁, 如果获取不到锁, 等待一定的时间之后就放弃加锁；
3. unlock(): 解锁。

与synchronize的区别：

1. synchronized 是一个关键字, 是 JVM 内部实现的(大概率是基于 C++ 实现). ReentrantLock 是标准库的一个类, 在 JVM 外实现的(基于 Java 实现).
2. synchronized 使用时不需要手动释放锁. ReentrantLock 使用时需要手动释放. 使用起来更灵活,但是也容易遗漏 unlock.
3. synchronized 在申请锁失败时, 会死等. ReentrantLock 可以通过 trylock 的方式等待一段时间就
4. 放弃.
5. synchronized 是非公平锁, ReentrantLock 默认是非公平锁. 可以通过构造方法传入一个 true 开启公平锁模式

那么如何选择哪个锁呢？

• 锁竞争不激烈的时候, 使用 synchronized, 效率更高, 自动释放更方便.
• 锁竞争激烈的时候, 使用 ReentrantLock, 搭配 trylock 更灵活控制加锁的行为, 而不是死等.
• 如果需要使用公平锁, 使用 ReentrantLock.
   

3.2Semaphore类

Semaphore类：信号量， 用来表示 “可用资源的个数”，本质上就是一个计数器。该类用于控制信号量的个数，构造时传入个数。总数就是控制并发的数量。

抽象解释：五双筷子，A拿了一双，则显示还有4双可用，A放回，则显示还有5双可用。若是5双筷子都被别人拿了，则禁止别人拿取筷子，等待别人放回。

import java.util.concurrent.Semaphore;public class SemaphoreTest {public static void main(String[] args) {// 创建Semaphore对象，设置许可数为3Semaphore semaphore = new Semaphore(3);// 创建10个线程for (int i = 1; i <= 10; i++) {MyThread thread = new MyThread(semaphore, i);new Thread(thread).start();}}static class MyThread implements Runnable {private Semaphore semaphore;private int threadNum;public MyThread(Semaphore semaphore, int threadNum) {this.semaphore = semaphore;this.threadNum = threadNum;}@Overridepublic void run() {try {// 获取许可，若还有许可数，则占用，若无则堵塞semaphore.acquire();System.out.println("线程" + threadNum + "获取到了许可");Thread.sleep(2000); // 模拟线程执行一段耗时的操作} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {// 释放许可semaphore.release();System.out.println("线程" + threadNum + "释放了许可");}}}}

当一个线程调用 acquire() 方法时，计数器就会减一，当计数器为0时，它就会阻塞。当一个线程调用 release() 方法时，它将增加计数器的值，然后唤醒一个被阻塞的线程。

3.3CountDownLatch类

计数器：同时等待 N 个任务执行结束。例如田径比赛，只有所有人都通过终点，才能公布成绩。

public class CountDownLatchDemo {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 创建计算器CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(5);// 创建线程池ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);// 创建新线程执行任务for (int i = 1; i <= 5; i++) {service.submit(() -> {Thread currThread = Thread.currentThread();System.out.println(currThread.getName() + "开始起跑");int runTime = new Random().nextInt(5) + 1;try {TimeUnit.SECONDS.sleep(runTime);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(currThread.getName() + "到达终点，用时：" + runTime);countDownLatch.countDown();  //在 CountDownLatch 内部的计数器同时自减.});}countDownLatch.await();  //阻塞等待所有任务执行完毕System.out.println("比赛结果宣布！");}
}

在代码当中，只有线程全部结束时，才能公布最后的结果