Java 并发编程:JUC、Synchronized、volatile、CAS等知识点整理

概述

Java并发编程是Java中一个最重要最难掌握的知识点之一。
我们需要知道的知识点包括但不限于:计算机最底层的运作原理、CAS、Synchronized及volatile、同步锁、读写锁、锁优化、线程间协调的方式(wait、notify、notifyAll、sleep、yield)、java.util.concurrent包的源码解读及实现原理,等等。

我们首先需要知道以下几点

一、共享性
数据共享性是线程安全的主要原因之一,我们要记住只有对共享资源 的读写,才需要同步。
如果所有的数据只是在线程内有效,那就不存在线程安全性问题,这也是我们在编程的时候经常不需要考虑线程安全的主要原因之一。但是,在多线程编程中,数据共享是不可避免的。最典型的场景是数据库中的数据,为了保证数据的一致性,我们通常需要共享同一个数据库中数据,即使是在主从的情况下,访问的也同一份数据,主从只是为了访问的效率和数据安全,而对同一份数据做的副本。

二、互斥性
资源互斥是指同时只允许一个访问者对其进行访问,具有唯一性和排它性。我们通常允许多个线程同时对数据进行读操作,但同一时间内只允许一个线程对数据进行写操作。所以我们通常将锁分为共享锁和排它锁,也叫做读锁和写锁。如果资源不具有互斥性,即使是共享资源,我们也不需要担心线程安全。例如,对于不可变的数据共享,所有线程都只能对其进行读操作,所以不用考虑线程安全问题。但是对共享数据的写操作,一般就需要保证互斥性,上述例子中就是因为没有保证互斥性才导致数据的修改产生问题。Java 中提供多种机制来保证互斥性,最简单的方式是使用Synchronized
三、原子性 Atomic
原子性就是指对数据的操作是一个独立的、不可分割的整体。换句话说,就是一次操作,是一个连续不可中断的过程,数据不会执行的一半的时候被其他线程所修改。保证原子性的最简单方式是操作系统指令,就是说如果一次操作对应一条操作系统指令,这样肯定可以能保证原子性。但是很多操作不能通过一条指令就完成。
例如整数 i++ 的操作,其实需要分成三个步骤:(1)读取整数 i 的值;(2)对 i 进行加一操作;(3)将结果写回内存。这个过程在多线程下就可能出现如下现象:

image.png

对于这种组合操作,要保证原子性,最常见的方式是加锁,Java中的Synchronized或Lock都可以实现;
除了锁以外,还有一种方式就是CAS(Compare And Swap),即修改数据之前先比较与之前读取到的值是否一致,如果一致,则进行修改,如果不一致则重新执行,这也是乐观锁的实现原理。
不过CAS在某些场景下不一定有效,比如另一线程先修改了某个值,然后再改回原来值,这种情况下,CAS是无法判断的。
更多关于CAS、 Atomic >>

四、可见性
要理解可见性,需要先对JVM的内存模型有一定的了解,JVM的内存模型与操作系统类似,如图所示

线程操作JVM内存模型

从这个图中我们可以看出,每个线程都有一个自己的工作内存(相当于CPU高级缓冲区,这么做的目的还是在于进一步缩小存储系统与CPU之间速度的差异,提高性能),对于共享变量,线程每次读取的是工作内存中共享变量的副本,写入的时候也直接修改工作内存中副本的值,然后在某个时间点上再将工作内存与主内存中的值进行同步。
这样导致的问题是,如果线程1对某个变量进行了修改,线程2却有可能看不到线程1对共享变量所做的修改
Java 中可通过Synchronized或Volatile来保证可见性
image.png

五、有序性
为了提高性能,编译器和处理器可能会对指令做重排序。重排序可以分为三种:

  1. 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下,可以重新安排语句的执行顺序。
  2. 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术(Instruction-Level Parallelism, ILP)来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性,处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
  3. 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区,这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行
    Java中可通过Synchronized或Volatile来保证顺序性。

总结

好了有了这些概念,就要开始Java 并发编程知识学习了。

笔记和代码地址:
https://gitee.com/kaixinshow/java-concurrent-learn

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