Java 并发编程与CAS基本原理

一、Java并发基础知识

Java里的程序天生就是多线程的，那么有几种新启线程的方式？

两种,启动线程的方式只有：

1、X extends Thread;，然后X.start；
2、X implements Runnable；然后交给Thread运行。

Java 线程的状态

Java中线程的状态分为6种：

1. 初始(NEW)：新创建了一个线程对象，但还没有调用start()方法。

2. 运行(RUNNABLE)：Java线程中将就绪（ready）和运行中（running）两种状态笼统的称为“运行”。线程对象创建后，其他线程(比如main线程）调用了该对象的start()方法。该状态的线程位于可运行线程池中，等待被线程调度选中，获取CPU的使用权，此时处于就绪状态（ready）。就绪状态的线程在获得CPU时间片后变为运行中状态（running）。

3. 阻塞(BLOCKED)：表示线程阻塞于锁。

4. 等待(WAITING)：进入该状态的线程需要等待其他线程做出一些特定动作（通知或中断）。

5. 超时等待(TIMED_WAITING)：该状态不同于WAITING，它可以在指定的时间后自行返回。

6. 终止(TERMINATED)：表示该线程已经执行完毕。

状态之间的变迁如下图所示：

线程死锁

线程死锁，是指由于两个或者两个以上的线程互相持有对方所需要的资源，导致这些线程处于等待状态，无法前往执行，死锁不会抛出异常。

死锁的发生必须具备以下条件：

1）互斥条件：指线程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个线程占用。如果此时还有其它线程请求资源，则请求者只能等待，直至占有资源的线程用毕释放。

2）请求和保持条件：指线程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它线程占有，此时请求线程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。

3）不剥夺条件：指线程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。

4）环路等待条件：指在发生死锁时，必然存在一个线程——资源的环形链。

可以简单的理解：

1）M个线程访问（M>=2）,访问N个资源（N>=2），同时（N<=M）；

2）访问顺序不对，线程A和B都要访问资源C和D，A先访问了C，再访问D；B先访问D，再访问C；A访问完C之后，D被B占用着，只能等待B释放；同时B先访问完D之后，C被A占用着，只能等待A释放；AB都在占用和等待对方，导致死锁；

3）使用资源不释放，如果A访问完C之后就释放C，B访问完D之后就释放D，也不会导致死锁。

死锁代码示例：

public class NormalDeadLock {

    private static Object No13 = new Object();//第一个锁
    private static Object No14 = new Object();//第二个锁

    //第一个拿锁的方法
    private static void jamesDo() throws InterruptedException {
        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        synchronized (No13){
            System.out.println(threadName+" get nO13");
            Thread.sleep(100);
            synchronized (No14){
                System.out.println(threadName+" get nO14");
            }
        }
    }

    //第二个拿锁的方法
    private static void lisonDo() throws InterruptedException {
        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        synchronized (No13){
            System.out.println(threadName+" get nO13");
            Thread.sleep(100);
            synchronized (No14){
                System.out.println(threadName+" get nO14");
            }
        }
    }

    //子线程，test2
    private static class Test2 extends Thread{

        private String name;

        public Test2(String name) {
            this.name = name;
        }

        @Override
        public void run() {
            Thread.currentThread().setName(name);
            try {
                jamesDo();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //主线程，test1
        Thread.currentThread().setName("test1");
        Test2 test2 = new Test2("test2");
        test2.start();
        lisonDo();
    }

}

死锁危害：

1、线程不工作了，但是整个程序还是活着的；

2、没有任何的异常信息可以供我们检查；

3、一旦程序发生了发生了死锁，是没有任何的办法恢复的，只能重启程序，对正式已发布程序来说，这是个很严重的问题。

死锁解决方式：

采用尝试拿锁的机制,两个线程在尝试拿锁的机制中，发生多个线程之间互相谦让，不断发生同一个线程总是拿到同一把锁，在尝试拿另一把锁时因为拿不到，而将本来已经持有的锁释放的过程。每个线程休眠随机数，错开拿锁的时间。

尝试拿锁解决死锁示例：

public class TryLock {
    private static Lock No13 = new ReentrantLock();//第一个锁
    private static Lock No14 = new ReentrantLock();//第二个锁

    //先尝试拿No13 锁，再尝试拿No14锁，No14锁没拿到，连同No13 锁一起释放掉
    private static void fisrtToSecond() throws InterruptedException {
        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        Random r = new Random();
        while(true){
            if(No13.tryLock()){
                System.out.println(threadName
                        +" get 13");
                try{
                    if(No14.tryLock()){
                        try{
                            System.out.println(threadName
                                    +" get 14");
                            System.out.println("fisrtToSecond do work------------");
                            break;
                        }finally{
                            No14.unlock();
                        }
                    }
                }finally {
                    No13.unlock();
                }

            }
            Thread.sleep(r.nextInt(3));
        }
    }

    //先尝试拿No14锁，再尝试拿No13锁，No13锁没拿到，连同No14锁一起释放掉
    private static void SecondToFisrt() throws InterruptedException {
        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        Random r = new Random();
        while(true){
            if(No14.tryLock()){
                System.out.println(threadName
                        +" get 14");
                try{
                    if(No13.tryLock()){
                        try{
                            System.out.println(threadName
                                    +" get 13");
                            System.out.println("SecondToFisrt do work------------");
                            break;
                        }finally{
                            No13.unlock();
                        }
                    }
                }finally {
                    No14.unlock();
                }

            }
            Thread.sleep(r.nextInt(3));
        }
    }

    private static class TestThread extends Thread{

        private String name;

        public TestThread(String name) {
            this.name = name;
        }

        public void run(){
            Thread.currentThread().setName(name);
            try {
                SecondToFisrt();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread.currentThread().setName("TestDeadLock");
        TestThread testThread = new TestThread("SubTestThread");
        testThread.start();
        try {
            fisrtToSecond();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

ThreadLocal

ThreadLocal和Synchonized都用于解决多线程并发访问。可是ThreadLocal与synchronized有本质的差别。synchronized是利用锁的机制，使变量或代码块在某一时该仅仅能被一个线程访问。而ThreadLocal为每个线程都提供了变量的副本，使得每个线程在某一时间访问到的并非同一个对象，这样就隔离了多个线程对数据的数据共享。

ThreadLocal的使用

ThreadLocal类接口很简单，只有4个方法，我们先来了解一下：

1）void set(Object value)
设置当前线程的线程局部变量的值。

2）public Object get()
该方法返回当前线程所对应的线程局部变量。

3）public void remove()
将当前线程局部变量的值删除，目的是为了减少内存的占用，该方法是JDK 5.0新增的方法。需要指出的是，当线程结束后，对应该线程的局部变量将自动被垃圾回收，所以显式调用该方法清除线程的局部变量并不是必须的操作，但它可以加快内存回收的速度。

4）protected Object initialValue()
返回该线程局部变量的初始值，该方法是一个protected的方法，显然是为了让子类覆盖而设计的。这个方法是一个延迟调用方法，在线程第1次调用get()或set(Object)时才执行，并且仅执行1次。ThreadLocal中的缺省实现直接返回一个null。

public final static ThreadLocal<String> RESOURCE = new ThreadLocal<String>();RESOURCE代表一个能够存放String类型的ThreadLocal对象。此时不论什么线程能够并发访问这个变量，对它进行写入、读取操作，都是线程安全的。

二、CAS基本原理

什么是原子操作？如何实现原子操作？

假定有两个操作A和B(A和B可能都很复杂)，如果从执行A的线程来看，当另一个线程执行B时，要么将B全部执行完，要么完全不执行B，那么A和B对彼此来说是原子的。

实现原子操作可以使用锁，锁机制，满足基本的需求是没有问题的了，但是有的时候我们的需求并非这么简单，我们需要更有效，更加灵活的机制，synchronized关键字是基于阻塞的锁机制，也就是说当一个线程拥有锁的时候，访问同一资源的其它线程需要等待，直到该线程释放锁，

这里会有些问题：首先，如果被阻塞的线程优先级很高很重要怎么办？其次，如果获得锁的线程一直不释放锁怎么办？（这种情况是非常糟糕的）。还有一种情况，如果有大量的线程来竞争资源，那CPU将会花费大量的时间和资源来处理这些竞争，同时，还有可能出现一些例如死锁之类的情况，最后，其实锁机制是一种比较粗糙，粒度比较大的机制，相对于像计数器这样的需求有点儿过于笨重。

实现原子操作还可以使用当前的处理器基本都支持CAS()的指令，只不过每个厂家所实现的算法并不一样，每一个CAS操作过程都包含三个运算符：一个内存地址V，一个期望的值A和一个新值B，操作的时候如果这个地址上存放的值等于这个期望的值A，则将地址上的值赋为新值B，否则不做任何操作。

CAS的基本思路就是，如果这个地址上的值和期望的值相等，则给其赋予新值，否则不做任何事儿，但是要返回原值是多少。循环CAS就是在一个循环里不断的做cas操作，直到成功为止。

CAS实现原子操作的三大问题：

ABA问题：

因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。

ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A→B→A就会变成1A→2B→3A。举个通俗点的例子，你倒了一杯水放桌子上，干了点别的事，然后同事把你水喝了又给你重新倒了一杯水，你回来看水还在，拿起来就喝，如果你不管水中间被人喝过，只关心水还在，这就是ABA问题。

如果你是一个讲卫生讲文明的小伙子，不但关心水在不在，还要在你离开的时候水被人动过没有，因为你是程序员，所以就想起了放了张纸在旁边，写上初始值0，别人喝水前麻烦先做个累加才能喝水。

循环时间长开销大：

自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。

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，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。

还有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如，有两个共享变量i＝2，j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java 1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

Jdk中相关原子操作类的使用：

AtomicInteger ：

•int addAndGet（int delta）：以原子方式将输入的数值与实例中的值（AtomicInteger里的value）相加，并返回结果。

•boolean compareAndSet（int expect，int update）：如果输入的数值等于预期值，则以原子方式将该值设置为输入的值。

•int getAndIncrement()：以原子方式将当前值加1，注意，这里返回的是自增前的值。

•int getAndSet（int newValue）：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。

AtomicIntegerArray：

主要是提供原子的方式更新数组里的整型，其常用方法如下。

•int addAndGet（int i，int delta）：以原子方式将输入值与数组中索引i的元素相加。

•boolean compareAndSet（int i，int expect，int update）：如果当前值等于预期值，则以原子方式将数组位置i的元素设置成update值。

需要注意的是，数组value通过构造方法传递进去，然后AtomicIntegerArray会将当前数组复制一份，所以当AtomicIntegerArray对内部的数组元素进行修改时，不会影响传入的数组。

更新引用类型：

原子更新基本类型的AtomicInteger，只能更新一个变量，如果要原子更新多个变量，就需要使用这个原子更新引用类型提供的类。Atomic包提供了以下3个类。

AtomicReference：原子更新引用类型。

AtomicStampedReference：利用版本戳的形式记录了每次改变以后的版本号，这样的话就不会存在ABA问题了。这就是AtomicStampedReference的解决方案。AtomicMarkableReference跟AtomicStampedReference差不多， AtomicStampedReference是使用pair的int stamp作为计数器使用，AtomicMarkableReference的pair使用的是boolean mark。还是那个水的例子，AtomicStampedReference可能关心的是动过几次，AtomicMarkableReference关心的是有没有被人动过，方法都比较简单。

AtomicMarkableReference：原子更新带有标记位的引用类型。可以原子更新一个布尔类型的标记位和引用类型。构造方法是AtomicMarkableReference（V initialRef，booleaninitialMark）。