8. java并发包--ThreadLocalRandom和原子操作类

ThreadLocalRandom类是JDK7新增的JUC下的随机数生成器，弥补了Random类在多线程情况下的缺陷。

1. java.util.Random类存在的问题

Random类生成随机数原理：首先根据旧的种子生成新的种子，然后根据新的种子生成随机数。

多线程情况下，为了避免多个线程同时根据旧种子生成相同的新种子，导致生成相同的随机数，Random类使用一个原子变量，用于保存初始化时的种子。通过循环CAS操作，以保证只有一个线程拿到旧种子来计算新种子。

问题：

多个线程通过CAS操作竞争原子种子变量，会降低并发性能，因此产生了ThreadLocalRandom类。

2. ThreadLocalRandom类

为了避免Random类中多个线程同时竞争一个原子变量，导致性能降低，ThreadLocalRandom类为每一个线程引入了ThreadLocal表示种子变量，该种子变量在使用随机数时会进行更新。

3.原子操作类

基本都使用非阻塞CAS算法实现，相比于锁能够答复提高性能。

AtomicLong原子类的自增、自减等操作都是通过 unsafe类的 getAndAddLong实现的。

实现逻辑：

每个线程拿到变量当前值，在工作内存中对其增1操作，然后使用CAS修改变量值，失败后则循环尝试，直到成功。

4. 原子操作类LongAdder（JDK8）

AtomicLong原子类存在问题：

高并发情况下，多线程同时CAS竞争原子类变量时，非阻塞线程会一直占用cpu，损耗cpu资源。

LongAdder方案：

维护一个long类型的cell数组，线程CAS竞争cell数组中的元素，如果CAS某个元素失败，则CAS数组另一个元素。

获取LongAdder值时，把当前cell内所有值累加即可。

cell数组较大，一般初始设置为null，使用时才加载，称为惰性加载（懒加载）。

此外，还使用了缓存行填充技术避免cell数组内一个元素共享一个缓存行导致性能降低。

5. 并发List--CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList对象中存在一个ArrayList数组、ReetrantLock锁保证同一时刻只有一个线程操作数组。

5.1 CopyOnWriteArrayList对象内部探究

对象初始化：

创建一个大小为0的Object数组作为array的初始值。

添加元素：

添加元素时，首先开启lock，然后拷贝一份数组元素，对拷贝的数组元素进行写入，再设置回原数组，最后释放锁资源。

为什么添加元素时要拷贝数组快照？

• 修改时拷贝原数组，而获取数组时返回老数组（相当于快照），使得修改和查看（遍历）的线程操作的是不同数组，达到避免并发修改的问题。
• 集合类中存在迭代器，调用迭代器的remove、next方法时都会比较list的expectCount和modCount，如果两者不同则会抛出异常。修改数组结构的线程，会保留最新的数组到对应的线程本地，返回修改前的数组给其他线程，保证不会抛出异常。

缺陷：

• 因为将元素写入数组快照，所以其他线程读取的可能不是数组最新值。
• 内存占用、性能问题

修改元素：

加锁，然后对比设置值和指定位置值是否一致，如果不一致则拷贝数组，并修改新数组指定位置值，最后设置回数组中。最后释放锁资源。

5.2 CopyOnWriteArrayList迭代器的弱一致性

弱一致性：返回迭代器后，其他线程对list的增、删、改对迭代器不可见。