JUC并发编程(15.Java线程）

客官°小女子只卖身不卖艺 2023-09-24 18:12 117阅读 0赞

# 1.原子整数 #

J.U.C 并发包提供了：  
`AtomicBoolean` `AtomicInteger` `AtomicLong`  
以 AtomicInteger 为例

AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
    // 获取并自增（i = 0, 结果 i = 1, 返回 0），类似于 i++
    System.out.println(i.getAndIncrement());
    // 自增并获取（i = 1, 结果 i = 2, 返回 2），类似于 ++i
    System.out.println(i.incrementAndGet());
    // 自减并获取（i = 2, 结果 i = 1, 返回 1），类似于 --i
    System.out.println(i.decrementAndGet());
    // 获取并自减（i = 1, 结果 i = 0, 返回 1），类似于 i--
    System.out.println(i.getAndDecrement());
    // 获取并加值（i = 0, 结果 i = 5, 返回 0）
    System.out.println(i.getAndAdd(5));
    // 加值并获取（i = 5, 结果 i = 0, 返回 0）
    System.out.println(i.addAndGet(-5));
    // 获取并更新（i = 0, p 为 i 的当前值, 结果 i = -2, 返回 0）
    // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
    System.out.println(i.getAndUpdate(p -> p - 2));
    // 更新并获取（i = -2, p 为 i 的当前值, 结果 i = 0, 返回 0）
    // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
    System.out.println(i.updateAndGet(p -> p + 2));
    // 获取并计算（i = 0, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 10, 返回 0）
    // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
    // getAndUpdate 如果在 lambda 中引用了外部的局部变量，要保证该局部变量是 final 的
    // getAndAccumulate 可以通过 参数1 来引用外部的局部变量，但因为其不在 lambda 中因此不必是 final
    System.out.println(i.getAndAccumulate(10, (p, x) -> p + x));
    // 计算并获取（i = 10, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 0, 返回 0）
    // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
    System.out.println(i.accumulateAndGet(-10, (p, x) -> p + x));

# 2.原子引用 #

`为什么需要原子引用类型？`  
AtomicReference  
AtomicMarkableReference  
AtomicStampedReference

public interface DecimalAccount {
        
    	// 获取余额
    	BigDecimal getBalance();
    	// 取款
    	void withdraw(BigDecimal amount);
    	/**
    	* 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作
    	* 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
    	*/
    	static void demo(DecimalAccount account) {
        
    		List<Thread> ts = new ArrayList<>();
    		for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        
    		ts.add(new Thread(() -> {
        
    		account.withdraw(BigDecimal.TEN);
    		}));
    	}
    	ts.forEach(Thread::start);
    	ts.forEach(t -> {
        
    		try {
        
    		t.join();
    		} catch (InterruptedException e) {
        
    		e.printStackTrace();
    		}
    	});
    	System.out.println(account.getBalance());
    	}
    }

## 1）不安全实现 ##

class DecimalAccountUnsafe implements DecimalAccount {
        
    	BigDecimal balance;
    	public DecimalAccountUnsafe(BigDecimal balance) {
        
    		this.balance = balance;
    	}
    	@Override
    	public BigDecimal getBalance() {
        
    		return balance;
    	}
    	@Override
    	public void withdraw(BigDecimal amount) {
        
    		BigDecimal balance = this.getBalance();
    		this.balance = balance.subtract(amount);
    	}
    }

## 2）安全实现-使用锁 ##

class DecimalAccountSafeLock implements DecimalAccount {
        
    	private final Object lock = new Object();
    	BigDecimal balance;
    	public DecimalAccountSafeLock(BigDecimal balance) {
        
    		this.balance = balance;
    	}
    	@Override
    	public BigDecimal getBalance() {
        
    		return balance;
    	}
    	@Override
    	public void withdraw(BigDecimal amount) {
        
    		synchronized (lock) {
        
    			BigDecimal balance = this.getBalance();
    			this.balance = balance.subtract(amount);
    		}
    	}
    }

## 3）安全实现-使用CAS ##

class DecimalAccountSafeCas implements DecimalAccount {
        
    	AtomicReference<BigDecimal> ref;
    	public DecimalAccountSafeCas(BigDecimal balance) {
        
    		ref = new AtomicReference<>(balance);
    	}
    	@Override
    	public BigDecimal getBalance() {
        
    		return ref.get();
    	}
    	@Override
    	public void withdraw(BigDecimal amount) {
        
    		while (true) {
        
    			BigDecimal prev = ref.get();
    			BigDecimal next = prev.subtract(amount);
    			if (ref.compareAndSet(prev, next)) {
        
    				break;
    			}
    		}
    	}
    }

测试代码

DecimalAccount.demo(new DecimalAccountUnsafe(new BigDecimal("10000")));
    DecimalAccount.demo(new DecimalAccountSafeLock(new BigDecimal("10000")));
    DecimalAccount.demo(new DecimalAccountSafeCas(new BigDecimal("10000")));

运行结果

4310 cost: 425 ms
    0 cost: 285 ms
    0 cost: 274 ms

## 4）ABA问题解决 ##

### (1)ABA问题 ###

static AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("A");
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
    	log.debug("main start...");
    	// 获取值 A
    	// 这个共享变量被它线程修改过？
    	String prev = ref.get();
    	other();
    	sleep(1);
    	// 尝试改为 C
    	log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C"));
    }
    private static void other() {
        
    	new Thread(() -> {
        
    		log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "B"));
    	}, "t1").start();
    	sleep(0.5);
    	new Thread(() -> {
        
    	log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "A"));
    	}, "t2").start();
    }

11:29:52.325 c.Test36 [main] - main start...
    11:29:52.379 c.Test36 [t1] - change A->B true
    11:29:52.879 c.Test36 [t2] - change B->A true
    11:29:53.880 c.Test36 [main] - change A->C true

`主线程仅能判断出共享变量的值与最初值 A 是否相同`，`不能感知到这种从 A 改为 B 又 改回 A 的情况`，如果主线程  
希望：`只要有其它线程【动过了】共享变量，那么自己的 cas 就算失败，这时，仅比较值是不够的，需要再加一个版本号`

### (2)AtomicStampedReference ###

static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
    	log.debug("main start...");
    	// 获取值 A
    	String prev = ref.getReference();
    	// 获取版本号
    	int stamp = ref.getStamp();
    	log.debug("版本 {}", stamp);
    	// 如果中间有其它线程干扰，发生了 ABA 现象
    	other();
    	sleep(1);
    	// 尝试改为 C
    	log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C", stamp, stamp + 1));
    }
    private static void other() {
        
    	new Thread(() -> {
        
    		log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B",
    		ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
    		log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());
    	}, "t1").start();
    	sleep(0.5);
    	new Thread(() -> {
        
    		log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A",
    		ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
    		log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());
    	}, "t2").start();
    }

15:41:34.891 c.Test36 [main] - main start...
    15:41:34.894 c.Test36 [main] - 版本 0
    15:41:34.956 c.Test36 [t1] - change A->B true
    15:41:34.956 c.Test36 [t1] - 更新版本为 1
    15:41:35.457 c.Test36 [t2] - change B->A true
    15:41:35.457 c.Test36 [t2] - 更新版本为 2
    15:41:36.457 c.Test36 [main] - change A->C false

AtomicStampedReference 可以给原子引用加上版本号，追踪原子引用整个的变化过程，如： A -> B -> A ->C ，通过AtomicStampedReference，我们可以知道，引用变量中途被更改了几次。  
但是有时候，并不关心引用变量更改了几次，只是`单纯的关心是否更改过`，所以就有了`AtomicMarkableReference`

### (3)AtomicMarkableReference ###

![在这里插入图片描述][1c52982731964bba89dd862403f62266.png]

class GarbageBag {
        
    	String desc;
    	public GarbageBag(String desc) {
        
    		this.desc = desc;
    	}
    	public void setDesc(String desc) {
        
    		this.desc = desc;
    	}
    	@Override
    	public String toString() {
        
    		return super.toString() + " " + desc;
    	}
    }

@Slf4j
    public class TestABAAtomicMarkableReference {
        
    	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
    	GarbageBag bag = new GarbageBag("装满了垃圾");
    	// 参数2 mark 可以看作一个标记，表示垃圾袋满了
    	AtomicMarkableReference<GarbageBag> ref = new AtomicMarkableReference<>(bag, true);
    	log.debug("主线程 start...");
    	GarbageBag prev = ref.getReference();
    	log.debug(prev.toString());
    	
    	new Thread(() -> {
        
    		log.debug("打扫卫生的线程 start...");
    		bag.setDesc("空垃圾袋");
    		while (!ref.compareAndSet(bag, bag, true, false)) {
        }
    		log.debug(bag.toString());
    	}).start();
    	
    	Thread.sleep(1000);
    	log.debug("主线程想换一只新垃圾袋？");
    	boolean success = ref.compareAndSet(prev, new GarbageBag("空垃圾袋"), true, false);
    	log.debug("换了么？" + success);
    	log.debug(ref.getReference().toString());
    	}
    }

2019-10-13 15:30:09.264 [main] 主线程 start...
    2019-10-13 15:30:09.270 [main] cn.itcast.GarbageBag@5f0fd5a0 装满了垃圾
    2019-10-13 15:30:09.293 [Thread-1] 打扫卫生的线程 start...
    2019-10-13 15:30:09.294 [Thread-1] cn.itcast.GarbageBag@5f0fd5a0 空垃圾袋
    2019-10-13 15:30:10.294 [main] 主线程想换一只新垃圾袋？
    2019-10-13 15:30:10.294 [main] 换了么？false
    2019-10-13 15:30:10.294 [main] cn.itcast.GarbageBag@5f0fd5a0 空垃圾袋

# 3.原子数组 #

AtomicIntegerArray  
AtomicLongArray  
AtomicReferenceArray

参数1，提供数组、可以是线程不安全数组或线程安全数组
    参数2，获取数组长度的方法
    参数3，自增方法，回传 array, index
    参数4，打印数组的方法
    */
    // supplier 提供者 无中生有 ()->结果
    // function 函数 一个参数一个结果 (参数)->结果 , BiFunction (参数1,参数2)->结果
    // consumer 消费者 一个参数没结果 (参数)->void, BiConsumer (参数1,参数2)->
    private static <T> void demo(
    	Supplier<T> arraySupplier,
    	Function<T, Integer> lengthFun,
    	BiConsumer<T, Integer> putConsumer,
    	Consumer<T> printConsumer ) {
        
    	List<Thread> ts = new ArrayList<>();
    	T array = arraySupplier.get();
    	int length = lengthFun.apply(array);
    	for (int i = 0; i < length; i++) {
        
    		// 每个线程对数组作 10000 次操作
    		ts.add(new Thread(() -> {
        
    			for (int j = 0; j < 10000; j++) {
        
    				putConsumer.accept(array, j%length);
    			}
    		}));
    	}
    	ts.forEach(t -> t.start()); // 启动所有线程
    	ts.forEach(t -> {
        
    		try {
        
    			t.join();
    		} catch (InterruptedException e) {
        
    			e.printStackTrace();
    		}
    	}); // 等所有线程结束
    	printConsumer.accept(array);
    }

## 1）不安全的数组 ##

demo(
    	()->new int[10],
    	(array)->array.length,
    	(array, index) -> array[index]++,
    	array-> System.out.println(Arrays.toString(array))
    );

[9870, 9862, 9774, 9697, 9683, 9678, 9679, 9668, 9680, 9698]

## 2）安全的数组 ##

demo(
    	()-> new AtomicIntegerArray(10),
    	(array) -> array.length(),
    	(array, index) -> array.getAndIncrement(index),
    	array -> System.out.println(array)
    );

[10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000]

# 4.字段更新器 #

AtomicReferenceFieldUpdater // 域 字段  
AtomicIntegerFieldUpdater  
AtomicLongFieldUpdater  
利用字段更新器，可以针对对象的某个域（Field）进行原子操作，`只能配合 volatile 修饰`的字段使用，否则会出现异常

Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Must be volatile type

public class Test5 {
        
    private volatile int field;
    public static void main(String[] args) {
        
    	AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Test5.class, "field");
    	Test5 test5 = new Test5();
    	fieldUpdater.compareAndSet(test5, 0, 10);
    	// 修改成功 field = 10
    	System.out.println(test5.field);
    	// 修改成功 field = 20
    	fieldUpdater.compareAndSet(test5, 10, 20);
    	System.out.println(test5.field);
    	// 修改失败 field = 20
    	fieldUpdater.compareAndSet(test5, 10, 30);
    	System.out.println(test5.field);
    	
    	}
    }

10
    20
    20

# 5.原子累加器 #

## 1）累加器性能比较 ##

private static <T> void demo(Supplier<T> adderSupplier, Consumer<T> action) {
        
    	T adder = adderSupplier.get();
    	long start = System.nanoTime();
    	List<Thread> ts = new ArrayList<>();
    	// 4 个线程，每人累加 50 万
    	for (int i = 0; i < 40; i++) {
        
    		ts.add(new Thread(() -> {
        
    		for (int j = 0; j < 500000; j++) {
        
    			action.accept(adder);
    		}
    		}));
    	}
    	ts.forEach(t -> t.start());
    	ts.forEach(t -> {
        
    	try {
        
    		t.join();
    		} catch (InterruptedException e) {
        
    		e.printStackTrace();
    	});
    	long end = System.nanoTime();
    	System.out.println(adder + " cost:" + (end - start)/1000_000);
    }

比较 AtomicLong 与 LongAdder

for (int i = 0; i < 5; i++) {
        
    	demo(() -> new LongAdder(), adder -> adder.increment());
    }
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        
    	demo(() -> new AtomicLong(), adder -> adder.getAndIncrement());
    }

1000000 cost:43
    1000000 cost:9
    1000000 cost:7
    1000000 cost:7
    1000000 cost:7
    1000000 cost:31
    1000000 cost:27
    1000000 cost:28
    1000000 cost:24
    1000000 cost:22

性能提升的原因很简单，就是在有竞争时，设置多个累加单元，Therad-0 累加 Cell\[0\]，而 Thread-1 累加Cell\[1\]… 最后将结果汇总。这样它们在`累加时操作的不同的 Cell 变量，因此减少了 CAS 重试失败，从而提高性能`。

## 2)源码之 LongAdder ##

LongAdder 是并发大师 @author Doug Lea （大哥李）的作品，设计的非常精巧  
LongAdder 类有几个关键域

// 累加单元数组, 懒惰初始化
    transient volatile Cell[] cells;
    // 基础值, 如果没有竞争, 则用 cas 累加这个域
    transient volatile long base;
    // 在 cells 创建或扩容时, 置为 1, 表示加锁
    transient volatile int cellsBusy;

## 3)cas 锁 ##

// 不要用于实践！！！
    public class LockCas {
        
    private AtomicInteger state = new AtomicInteger(0);
    public void lock() {
        
    	while (true) {
        
    		if (state.compareAndSet(0, 1)) {
        
    			break;
    		}
    	}
    }
    public void unlock() {
        
    	log.debug("unlock...");
    	state.set(0);
    }
    }

LockCas lock = new LockCas();
    new Thread(() -> {
        
    	log.debug("begin...");
    	lock.lock();
    	try {
        
    	log.debug("lock...");
    	sleep(1);
    	} finally {
        
    	lock.unlock();
    	}
    }).start();
    new Thread(() -> {
        
    	log.debug("begin...");
    	lock.lock();
    	try {
        
    	log.debug("lock...");
    	} finally {
        
    	lock.unlock();
    	}
    }).start();

18:27:07.198 c.Test42 [Thread-0] - begin...
    18:27:07.202 c.Test42 [Thread-0] - lock...
    18:27:07.198 c.Test42 [Thread-1] - begin...
    18:27:08.204 c.Test42 [Thread-0] - unlock...
    18:27:08.204 c.Test42 [Thread-1] - lock...
    18:27:08.204 c.Test42 [Thread-1] - unlock...

## 4)原理之伪共享 ##

其中 Cell 即为累加单元

// 防止缓存行伪共享
    @sun.misc.Contended
    static final class Cell {
        
    	volatile long value;
    	Cell(long x) {
         value = x; }
    	// 最重要的方法, 用来 cas 方式进行累加, prev 表示旧值, next 表示新值
    	final boolean cas(long prev, long next) {
        
    	return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, valueOffset, prev, next);
    	}
    	// 省略不重要代码
    }

**缓存与内存的速度比较**  
![在这里插入图片描述][b259dfb3528b40fbbbc05bf1064f2dd0.png]  
![在这里插入图片描述][255050cd85384458aa8bc066db04a8ae.png]  
![在这里插入图片描述][1dbdef07d4d64215990986848472cb3c.png]

[1c52982731964bba89dd862403f62266.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/1c52982731964bba89dd862403f62266.png
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