JavaGuide（3）

一、项目背景与简介

JavaGuide由GitHub用户Snailclimb开发并维护，是一个全面而深入的Java学习资源库。它旨在为Java初学者和有经验的开发者提供一个系统的学习路径和丰富的资源，帮助他们系统地学习和巩固Java及相关技术知识。

二、项目内容与特点

Java基础：详细解释了Java的基本概念、语法和核心类库，为初学者打下坚实的基础。
集合框架：深入分析了ArrayList、LinkedList、HashMap等常用集合类的源码和使用场景，帮助开发者更好地理解和应用这些集合类。
并发编程：涵盖了线程、锁、并发集合等高级并发编程知识，帮助开发者掌握Java并发编程的核心技术。
JVM：详细介绍了Java虚拟机的内存模型、垃圾回收机制和类加载过程，让开发者对Java的运行环境有更深入的了解。
新特性：总结了从Java 8到最新版本的各个版本的新特性，帮助开发者紧跟Java技术的最新发展。

此外，JavaGuide还涉及了计算机网络、操作系统、数据结构与算法等计算机科学基础知识，为开发者提供了一个全面的技术栈学习平台。

JavaGuide的特点还包括：

全面性：覆盖了Java开发的各个方面，从基础到高级，从理论到实践，应有尽有。
实用性：项目中的内容都是经过精心挑选和整理的，旨在解决实际开发中的常见问题。同时，提供了大量的代码示例和面试题，帮助开发者更好地理解和应用知识。
更新及时：紧跟Java的最新发展，及时更新内容，确保信息的时效性和准确性。
社区支持：JavaGuide是一个开源项目，拥有活跃的社区支持。用户可以在社区中参与贡献、寻求帮助或分享经验。

三、如何学习与使用JavaGuide

下载与安装：可以从JavaGuide的官方网站或GitHub仓库下载源代码压缩包，或者通过git命令来clone仓库。下载完成后，进入JavaGuide项目的根目录。
构建与运行：确保系统已经安装了Maven等构建工具，然后执行相应的命令来构建并运行JavaGuide。例如，可以使用“mvn clean package java -jar target/JavaGuide-xxx.jar”命令来运行JavaGuide。
学习与进阶：无论是Java初学者还是有一定经验的开发者，都可以通过JavaGuide系统地学习和巩固Java及相关技术知识。可以按照JavaGuide的学习路径逐步深入，也可以根据自己的兴趣和需求选择特定的章节进行学习。
面试准备：JavaGuide中包含了大量的面试题和解析，非常适合正在准备Java相关职位面试的求职者。可以通过学习这些面试题和解析来提高自己的面试技巧和竞争力。
日常开发参考：JavaGuide中的源码分析和最佳实践部分可以作为日常开发中的参考资料。在遇到问题时，可以查阅JavaGuide中的相关内容来寻找解决方案或灵感。

乐观锁和悲观锁详解

如果将悲观锁（Pessimistic Lock）和乐观锁（PessimisticLock 或 OptimisticLock）对应到现实生活中来。悲观锁有点像是一位比较悲观（也可以说是未雨绸缪）的人，总是会假设最坏的情况，避免出现问题。乐观锁有点像是一位比较乐观的人，总是会假设最好的情况，在要出现问题之前快速解决问题。

什么是悲观锁？

悲观锁总是假设最坏的情况，认为共享资源每次被访问的时候就会出现问题(比如共享数据被修改)，所以每次在获取资源操作的时候都会上锁，这样其他线程想拿到这个资源就会阻塞直到锁被上一个持有者释放。也就是说，共享资源每次只给一个线程使用，其它线程阻塞，用完后再把资源转让给其它线程。

像 Java 中synchronized和ReentrantLock等独占锁就是悲观锁思想的实现。

public void performSynchronisedTask() {
    synchronized (this) {
        // 需要同步的操作
    }
}

private Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
   // 需要同步的操作
} finally {
    lock.unlock();
}

高并发的场景下，激烈的锁竞争会造成线程阻塞，大量阻塞线程会导致系统的上下文切换，增加系统的性能开销。并且，悲观锁还可能会存在死锁问题（线程获得锁的顺序不当时），影响代码的正常运行。

什么是乐观锁？

乐观锁总是假设最好的情况，认为共享资源每次被访问的时候不会出现问题，线程可以不停地执行，无需加锁也无需等待，只是在提交修改的时候去验证对应的资源（也就是数据）是否被其它线程修改了（具体方法可以使用版本号机制或 CAS 算法）。

在 Java 中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类（比如AtomicInteger、LongAdder）就是使用了乐观锁的一种实现方式 CAS 实现的。

CAS 算法

CAS 的全称是 Compare And Swap（比较与交换） ，用于实现乐观锁，被广泛应用于各大框架中。CAS 的思想很简单，就是用一个预期值和要更新的变量值进行比较，两值相等才会进行更新。

CAS 是一个原子操作，底层依赖于一条 CPU 的原子指令。

原子操作 即最小不可拆分的操作，也就是说操作一旦开始，就不能被打断，直到操作完成。

CAS 涉及到三个操作数：

V：要更新的变量值(Var)
E：预期值(Expected)
N：拟写入的新值(New)

当且仅当 V 的值等于 E 时，CAS 通过原子方式用新值 N 来更新 V 的值。如果不等，说明已经有其它线程更新了 V，则当前线程放弃更新。

举一个简单的例子：线程 A 要修改变量 i 的值为 6，i 原值为 1（V = 1，E=1，N=6，假设不存在 ABA 问题）。

i 与 1 进行比较，如果相等，则说明没被其他线程修改，可以被设置为 6 。
i 与 1 进行比较，如果不相等，则说明被其他线程修改，当前线程放弃更新，CAS 操作失败。

当多个线程同时使用 CAS 操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败，但失败的线程并不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。

关于 CAS 的进一步介绍，可以阅读读者写的这篇文章：CAS 详解，其中详细提到了 Java 中 CAS 的实现以及 CAS 存在的一些问题。

一、JMM的基本概念

JMM定义了线程之间共享变量的可见性和有序性规则，为开发者提供了一种可靠的同步机制，以避免并发程序中常见的线程安全问题。JMM包含两个主要的内存区域：主内存和工作内存。

主内存：主内存是所有线程共享的内存区域，包含了程序的全局变量和静态变量。主内存是多个线程之间的交互媒介，线程之间通过主内存进行数据的传递和共享。
工作内存：工作内存是线程私有的内存区域，包含了线程栈中的局部变量和操作线程栈的操作数栈等。每个线程都有自己独立的工作内存，工作内存存储了线程在执行过程中需要用到的数据。

二、JMM的三大特性

JMM的三大特性是原子性、可见性和有序性，它们共同保证了多线程环境下数据的安全性和一致性。

原子性（Atomicity）：
- 原子性指的是一个操作要么全部执行成功，要么全部不执行。JMM保证了对基本类型的读写操作的原子性。例如，对一个int类型的变量进行++操作，JMM保证这个操作不会出现读取脏数据或者写入不完整数据的情况。
- JMM通过使用synchronized关键字、volatile关键字和原子类（如AtomicInteger）等机制来保证原子性。
可见性（Visibility）：
- 可见性指的是一个线程对一个变量的写操作对其他线程可见。即使在不同的线程中，一个线程对共享变量的修改也能被其他线程立即观察到。
- JMM通过使用锁机制和内存屏障来实现可见性。例如，使用synchronized关键字对代码块进行同步，每次进入同步块的线程都会从主内存中读取最新的值，保证了可见性。volatile关键字也可以确保被修饰的变量的写操作对其他线程立即可见。
有序性（Ordering）：
- 有序性指的是在一个线程中的操作顺序与程序代码的顺序一致。然而，在多线程环境下，由于指令重排和缓存一致性等原因，程序的执行顺序可能与代码顺序不一致。
- JMM通过使用内存屏障来禁止特定类型的指令重排，保证程序的有序性。例如，volatile关键字可以禁止对volatile变量的读/写操作进行指令重排序。

三、JMM的Happens-Before规则

Happens-Before规则是JMM的核心原则之一，用于定义操作之间的顺序关系，基于此关系来保证数据的可见性和一致性。以下是Java中的Happens-Before规则：

程序顺序规则：在一个线程内，代码的执行顺序按照程序代码的书写顺序。
监视器锁规则：一个unlock操作在后续对同一锁的lock操作之前。
volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对该volatile变量的读操作。
线程启动规则：Thread.start()方法先行发生于此线程的每一个动作。
线程中断规则：对线程的interrupt()调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件。
线程终止规则：线程的所有操作先行发生于此线程的终止检测（Thread.join()返回，Thread.isAlive()返回false）。
对象终结规则：对象的构造函数执行结束先行发生于finalize()方法的开始。

四、JMM的应用与注意事项

正确使用volatile关键字：当某个变量在多线程环境下被频繁读取且不需要复杂的同步操作时，可以使用volatile关键字来保证变量的可见性和有序性。
合理选择synchronized和Lock：在需要对共享资源进行原子操作且需要控制访问顺序时，可以使用synchronized关键字或Lock接口来保证原子性和可见性。
注意指令重排序的影响：编译器和处理器可能会对指令进行重排序以提高性能，但在多线程环境下，指令重排序可能导致内存可见性问题。因此，在编写多线程程序时，需要特别注意指令重排序的影响，并合理使用内存屏障等机制来保证程序的正确性。