【JUC基础】JUC入门基础（二）

- 异步回调
- JMM 理解
- - 对 volatile 的理解
  - - 1、保证可见性
    - 2、不保证原子性
    - 3、禁止指令重排
  - 对 JMM 的理解
- 详解单例模式
- - 饿汉式
  - 懒汉式
  - DCL懒汉式：双重检测锁模式的懒汉式单例
  - 静态内部类实现单例
  - 通过反射破坏单例，修改后的DCL饿汉式
  - 枚举实现单例防止反射破坏
- 理解 CAS（compareAndSwap）
- CAS 出现的 ABA 问题
- - 理解 ABA 问题
  - 解决 ABA 问题（带版本号的原子操作、乐观锁思想）
- 公平锁，非公平锁
- 可重入锁（递归锁）
- 自旋锁
- 排除死锁

异步回调

Future 设计的初衷：对将来的某个事件的结果进行建模
在这里插入图片描述

没有返回值的 runAsync 异步回调

import java.util.concurrent.*;

/**
 * 异步调用： CompletableFuture
 *  异步执行
 *  成功回调
 *  失败回调
 */
public class test {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        //发起一个请求 void
        // 没有返回值的 runAsync 异步回调
        CompletableFuture<Void> completableFuture = CompletableFuture.runAsync(() -> {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "runAsync=>void");
        });

        System.out.println("11111111");
        
        completableFuture.get();//获取执行结果
    }
}

有返回值的异步回调 supplyAsync

import java.util.concurrent.*;

/**
 * 异步调用： CompletableFuture
 *  异步执行
 *  成功回调
 *  失败回调
 */
public class test {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        // completableFuture.get(); // 获取阻塞执行结果
        // 有返回值的 supplyAsync 异步回调
        // ajax，成功和失败的回调
        // 失败返回的是错误信息；
        CompletableFuture<Integer> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "supplyAsync=>Integer");
            //int i = 10 / 0;
            return 1024;
        });

        //whenComplete: 参数BiConsumer<T, U>
        // 有两个参数，一个是T 一个是U，T：是代表的 正常返回的结果；U：是代表的 抛出异常的错误信息；
        System.out.println(completableFuture.whenComplete((t, u) -> {
            System.out.println("t=>" + t);// 正常的返回结果
            System.out.println("u=>" + u);// 错误信息：

        }).exceptionally((e) -> {
            System.out.println(e.getMessage());
            return 233;// 可以获取到错误的返回结果
        }).get());//如果发生了异常，get可以获取到exceptionally返回的值；
    }
}

JMM 理解

对 volatile 的理解

1、保证可见性

import java.util.concurrent.*;

public class test {
    // 如果不加volatile 程序会死循环
    // 加了volatile是可以保证可见性的
    private volatile static Integer number = 0;

    //main线程
    public static void main(String[] args) {

        //子线程1
        new Thread(()->{
            while (number==0){
            }
        }).start();
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        //子线程2
        new Thread(()->{
            while (number==0){
            }

        }).start();
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        number=1;
        System.out.println(number);
    }
}

2、不保证原子性

public class test {
    private static volatile int number = 0;

    public static void add() {
        number++;//++ 不是一个原子性操作，是 2~3 个操作
    }

    public static void main(String[] args) {
        //理论上number  == 20000
        for (int i = 1; i <= 20; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 1; j <= 1000; j++) {
                    add();
                }
            }).start();
        }

        //main  gc
        while (Thread.activeCount() > 2) {
            Thread.yield(); //yield让出计算资源并重新竞争资源
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",num=" + number);//每次都不一样
    }
}

javap -c test.class反编译字节码文件：
在这里插入图片描述

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class test {
	// 这些类的底层都直接和操作系统挂钩，是在内存中修改值。
    private static volatile AtomicInteger number = new AtomicInteger();

    public static void add(){
        //number++;
        number.incrementAndGet();  //底层是 CAS 保证的原子性
    }

    public static void main(String[] args) {
        //理论上number=20000
        for (int i = 1; i <= 20; i++) {
            new Thread(()->{
                for (int j = 1; j <= 1000 ; j++) {
                    add();
                }
            }).start();
        }
        //main  gc
        while (Thread.activeCount()>2){
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",num="+number);
    }
}

3、禁止指令重排

源代码 –> 编译器优化重排 –> 指令并行也可能会重排 –> 内存系统也会重排 –> 执行

int x=1; //1
int y=2; //2
x=x+5;   //3
y=x*x;   //4

//期望的执行顺序是 1_2_3_4  可能执行的顺序会变成2134 1324

volatile 可以避免指令重排：volatile 中会加一道内存的屏障，这个内存屏障可以保证在这个屏障中的指令顺序。
在这里插入图片描述

对 JMM 的理解

JMM：Java内存模型，不存在的东西，是一个概念，也是一个约定。

关于 JMM 的一些同步的约定：

1、线程解锁前，必须把共享变量立刻刷回主存
2、线程加锁前，必须读取主存中的最新值到工作内存中
3、加锁和解锁是同一把锁

线程中分为工作内存、主内存。
8种操作：（读read，加载load）（使用use，赋值assign）（写write，存储store）（加锁lock，解锁unlock）
在这里插入图片描述
内存交互操作有8种，虚拟机实现必须保证每一个操作都是原子的，不可在分的（对于 double 和 long 类型的变量来说，load、store、read 和 write 操作在某些平台上允许例外）

read（读取）：作用于主内存变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用；
load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主存中变量放入工作内存中；
use（使用）：作用于工作内存中的变量，它把工作内存中的变量传输给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值，就会使用到这个指令；
assign（赋值）：作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中；
store（存储）：作用于主内存中的变量，它把一个从工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便后续的write使用；
write（写入）：作用于主内存中的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中；
lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为线程独占状态；
unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定；

JMM对这八种指令的使用，制定了如下规则：

不允许 read 和 load、store 和 write 操作之一单独出现，必须成对使用。即使用了 read 必须 load，使用了store 必须 write
不允许线程丢弃他最近的 assign 操作，即工作变量的数据改变了之后，必须告知主存
不允许一个线程将没有 assign 的数据从工作内存同步回主内存
一个新的变量必须在主内存中诞生，不允许工作内存直接使用一个未被初始化的变量。就是怼变量实施 use、store操作之前，必须经过 assign 和 load 操作
一个变量同一时间只有一个线程能对其进行 lock。多次 lock 后，必须执行相同次数的 unlock 才能解锁
如果对一个变量进行 lock 操作，会清空所有工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，必须重新 load 或 assign 操作初始化变量的值
如果一个变量没有被 lock，就不能对其进行 unlock 操作。也不能unlock一个被其他线程锁住的变量对一个变量进行 unlock 操作之前，必须把此变量同步回主内存

在这里插入图片描述

详解单例模式

饿汉式

//饿汉式单例
public class Hungry {
    //一上来就实例化，可能会浪费空间
    private byte[] data1 =new byte[1024*1024];
    private byte[] data2 =new byte[1024*1024];
    private byte[] data3 =new byte[1024*1024];
    private byte[] data4 =new byte[1024*1024];

    //私有化构造器
    private Hungry() {
    }

    private final static Hungry HUNGRY = new Hungry();

    public Hungry getInstance() {
        return HUNGRY;
    }
}

懒汉式

// 懒汉式单例
public class LazyMan {
    //构造器私有化
    private LazyMan() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"OK");
    }

    private static LazyMan lazyMan;

    public static LazyMan getInstance() {
        if (lazyMan == null) {
            lazyMan = new LazyMan();
        }
        return lazyMan;
    }


	//多线程并，会有隐患！
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(()->{
                lazyMan.getInstance();
            }).start();
        }
    }
}

DCL懒汉式：双重检测锁模式的懒汉式单例

// 懒汉式 DCL单例
public class LazyMan {
    // 构造器私有化
    private LazyMan() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "OK");
    }

    // 加volatile，防止指令重排
    private volatile static LazyMan lazyMan;

    // 双重检测锁模式的 懒汉式单例 DCL懒汉式
    public static LazyMan getInstance() {
    	// 第一次检查
        if (lazyMan == null) {
            synchronized (LazyMan.class) {
            	// 第二次检查
                if (lazyMan == null) {
                    lazyMan = new LazyMan();
                    /**
                     * 1. 分配内存空间
                     * 2、执行构造方法，初始化对象
                     * 3、把这个对象指向这个空间
                     * 执行顺序123,132都有可能
                     * A：123  B：132
                     * B把这个对象指向这个空间，发现不为空执行return
                     * 但是此时在线程A中，lazyMan还没有完成构造，lazyMan要加volatile，防止指令重排
                     */
                }
            }
        }
        return lazyMan;
    }


    //多线程并发
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                lazyMan.getInstance();
            }).start();
        }
    }
}

静态内部类实现单例

public class Singleton {
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

通过反射破坏单例，修改后的DCL饿汉式

// 懒汉式单例
public class LazyMan {
    private volatile static LazyMan lazyMan;

    //私有化构造器
    private LazyMan() {
        synchronized (LazyMan.class) {
            if (lazyMan != null) {
                throw new RuntimeException("不要试图使用反射破坏异常");
            }
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "OK");
    }

    // 双重检测锁模式的 懒汉式单例 DCL懒汉式
    public static LazyMan getInstance() {
        if (lazyMan == null) {
            synchronized (LazyMan.class) {
                if (lazyMan == null) {
                    lazyMan = new LazyMan();// 不是一个原子性操作
                }
            }
        }
        return lazyMan;
    }

    //多线程并发
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        LazyMan instance = LazyMan.getInstance();
        Constructor<LazyMan> declaredConstructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);
        declaredConstructor.setAccessible(true);//无视私有
        LazyMan instance2 = declaredConstructor.newInstance();
        System.out.println(instance);
        System.out.println(instance2);
    }
}
//可以继续破坏

枚举实现单例防止反射破坏

import java.lang.reflect.Constructor;

// enum 本身也是一个 Class 类
public enum EnumSingle {
    INSTANCE;

    public  EnumSingle getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}


class Test{
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        EnumSingle instance1 = EnumSingle.INSTANCE;
        //java.lang.NoSuchMethodException: com.zzy.single.EnumSingle.<init>() 没有空参构造方法
        //Constructor<EnumSingle> declaredConstructor = EnumSingle.class.getDeclaredConstructor(null);

        //反编译中，只有有参构造方法 EnumSingle(String s, int i) 
        //java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objects
        Constructor<EnumSingle> declaredConstructor = EnumSingle.class.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);
        declaredConstructor.setAccessible(true);


        EnumSingle instance2 = declaredConstructor.newInstance();

        System.out.println(instance1);
        System.out.println(instance2);
    }
}

理解 CAS（compareAndSwap）

CAS : compareAndSet 比较并交换

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class test {
    //CAS : compareAndSet 比较并交换
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(2020);

        //boolean compareAndSet(int expect, int update)
        //期望值、更新值
        //如果实际值 和 期望值相同，那么就更新
        //如果实际值 和 期望值不同，那么就不更新
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2020, 2021));
        System.out.println(atomicInteger.get());

        //因为期望值是2020  实际值却变成了2021  所以会修改失败
        //CAS 是CPU的并发原语
        atomicInteger.getAndIncrement(); //++操作
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2020, 2021));
        System.out.println(atomicInteger.get());
    }
}

CAS : compareAndSet 比较并交换源码：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

	// Java无法操作内存，C++可以，Java通过native方法调用C++
	// Java通过Unsafe类操作内存 
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
        	// 获取内存地址的偏移值
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    private volatile int value;
    ...


    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }

// 内存操作，效率很高
// 自旋锁
// Unsafe类 unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1)
// var1 = this; var2 = valueOffset; var4 = 1
    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
        	// 获取内存地址valueOffset中的值 
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
        // while中：如果当前对象var1中的内存地址偏移值var2，这个值如果还等于var5，那么这个值等于var5+var4

        return var5;
    }

CAS 出现的 ABA 问题

CAS：比较当前工作内存中的值和主内存中的值，如果这个值是期望的，那么则执行操作，如果不是就一直循环，使用的是自旋锁。

缺点：

循环会耗时
一次性只能保证一个共享变量的原子性
存在ABA问题

理解 ABA 问题

狸猫换太子：

线程1：期望值是1，要变成2；
线程2：两个操作：
1、期望值是1，变成3
2、期望是3，变成1

所以对于线程1来说，A的值还是1，所以就出现了问题，骗过了线程1

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class test {
    // CAS compareAndSet : 比较并交换
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(2020);
        
        //public final boolean compareAndSet(int expect, int update)
        // 如果我期望的值达到了，那么就更新，否则，就不更新, CAS 是CPU的并发原语！
        // ============== 捣乱的线程 ==================
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2020, 2021));
        System.out.println(atomicInteger.get());
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2021, 2020));
        System.out.println(atomicInteger.get());

        // ============== 期望的线程 ==================
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2020, 77777));
        System.out.println(atomicInteger.get());
    }
}

解决 ABA 问题（带版本号的原子操作、乐观锁思想）

解决 ABA 问题：引入原子引用，对应的思想：乐观锁。

思想：带版本号的原子操作
在这里插入图片描述

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

public class test {
    //AtomicStampedReference 注意，如果泛型是一个包装类，注意对象的引用问题，正常在业务操作，这里面比较的都是一个个对象
    static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new
            AtomicStampedReference<>(1, 1);

    // CAS compareAndSet : 比较并交换
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            // 获得版本号
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println("a1版本号=>" + stamp);

            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            // 修改操作时，版本号更新 + 1
            atomicStampedReference.compareAndSet(1, 2,
                    atomicStampedReference.getStamp(),
                    atomicStampedReference.getStamp() + 1);

            System.out.println("a2版本号=>" + atomicStampedReference.getStamp());

            // 重新把值改回去， 版本号更新 + 1
            System.out.println(atomicStampedReference.compareAndSet(2, 1,
                    atomicStampedReference.getStamp(),
                    atomicStampedReference.getStamp() + 1));

            System.out.println("a3版本号=>" + atomicStampedReference.getStamp());
        }, "a").start();

        // 乐观锁的原理相同！
        new Thread(() -> {
            // 获得版本号
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println("b1=>" + stamp);

            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            System.out.println(atomicStampedReference.compareAndSet(1, 3,
                    stamp, stamp + 1));
            System.out.println("b2=>" + atomicStampedReference.getStamp());
        }, "b").start();
    }
}

公平锁，非公平锁

公平锁：非常公平，不能够插队，必须先来后到
非公平锁：非常不公平，可以插队（默认都是非公平）

// ReentrantLock 源码
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
	...
	    public ReentrantLock() {
        sync = new NonfairSync();
    }
	    public ReentrantLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
    }
    ...
}

可重入锁（递归锁）

拿到外面的锁之后，就可以自动获得拿到里面的锁

//Synchronized
public class test {

    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone();
        new Thread(() -> {
            phone.sms();
        }, "A").start();

        new Thread(() -> {
            phone.sms();
        }, "B").start();
    }
}

class Phone {
    //外面一把锁
    public synchronized void sms() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：sms");
        //里面一把锁
        call();
    }

    public synchronized void call() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：call");
    }
}
//一定是
/*
A：sms
A：call
B：sms
B：call
*/

Lock 锁必须配对，相当于 lock 和 unlock 必须数量相同，在外面加的锁，也可以在里面解锁；在里面加的锁，在外面也可以解锁

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

//Lock
public class test {
    public static void main(String[] args) {
        Phone2 phone = new Phone2();
        new Thread(() -> {
            phone.sms();
        }, "A").start();

        new Thread(() -> {
            phone.sms();
        }, "B").start();
    }
}

class Phone2 {
    Lock lock = new ReentrantLock();

    public void sms() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：sms");
            //里面还有锁
            call();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void call() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：call");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

自旋锁

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

//自旋锁
public class SpinlockDemo {
    //初始： int -> 0; 引用类型 Thread -> null
    AtomicReference<Thread> atomicReference = new AtomicReference<>();

    // 加锁
    public void myLock() {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "==> myLock");
        //自旋锁
        while (!atomicReference.compareAndSet(null, thread)) {
        }
    }

    // 解锁
    public void myUnlock() {
        Thread thread = Thread.currentThread();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "==> myUnlock");
        //自旋锁
        atomicReference.compareAndSet(thread, null);
    }
}

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class TestSpinLock {
    public static void main(String[] args) {
        //ReentrantLock
/*        ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
        reentrantLock.lock();
        reentrantLock.unlock();*/

        // 底层使用的自旋锁 CAS
        SpinlockDemo lock = new SpinlockDemo();

        new Thread(()->{
            lock.myLock();
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.myUnlock();
            }

        },"T1").start();

        new Thread(()->{
            lock.myLock();
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.myUnlock();
            }

        },"T2").start();
    }
}
/*
T1==> myLock
T2==> myLock //必须等T1解锁，自旋
T1==> myUnlock
T2==> myUnlock
*/

排除死锁

A、B各持有锁，试图获取对方的锁，例如：

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        String lockA = "lockA";
        String lockB = "lockB";

        new Thread(new MyThread(lockA, lockB), "T1").start();

        new Thread(new MyThread(lockB, lockA), "T2").start();

    }
}

class MyThread implements Runnable {
    private String lockA;
    private String lockB;

    public MyThread(String lockA, String lockB) {
        this.lockA = lockA;
        this.lockB = lockB;
    }

    @Override
    public void run() {
        synchronized (lockA) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "lock: " + lockA + "=> get: " + lockB);
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            synchronized (lockB) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "lock: " + lockB + "=>get: " + lockA);
            }
        }
    }
}

使用 jstack 进程号，找到死锁问题，进程号由 jps -l 得到

...
"T2":
        at JUC_learn.MyThread.run(test.java:36)
        - waiting to lock <0x053bedc8> (a java.lang.String)
        - locked <0x053bedf0> (a java.lang.String)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
"T1":
        at JUC_learn.MyThread.run(test.java:36)
        - waiting to lock <0x053bedf0> (a java.lang.String)
        - locked <0x053bedc8> (a java.lang.String)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

Found 1 deadlock.