1. park-un
LockSupport 是JUC中部分锁和同步器的实现的底层支持
LockSupport 类方法：
LockSupport.park()：暂停当前线程，挂起原语LockSupport.unpark(暂停的线程对象)：恢复某个线程的运行
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread(() -> {
System.out.println("start..."); //1
Thread.sleep(1000);// Thread.sleep(3000)
// 先 park 再 unpark 和先 unpark 再 park 效果一样，都会直接恢复线程的运行
System.out.println("park..."); //2
LockSupport.park();
System.out.println("resume...");//4
},"t1");
t1.start();
Thread.sleep(2000);
System.out.println("unpark..."); //3
LockSupport.unpark(t1);
}
LockSupport 出现就是为了增强 wait & notify 的功能：
- wait，notify 和 notifyAll 必须配合 Object Monitor 一起使用，而 park、unpark 不需要
- park & unpark 以线程为单位来阻塞和唤醒线程，而 notify 只能随机唤醒一个等待线程，notifyAll 是唤醒所有等待线程
- park & unpark 可以先 unpark，而 wait & notify 不能先 notify。类比生产消费，先消费发现有产品就消费，没有就等待；先生产就直接产生商品，然后线程直接消费
- wait 会释放锁资源进入等待队列，park 不会释放锁资源，只负责阻塞当前线程，会释放 CPU
原理：类似生产者消费者
- 先 park：
- 当前线程调用 Unsafe.park() 方法
- 检查 _counter ，本情况为 0，这时获得 _mutex 互斥锁
- 线程进入 _cond 条件变量挂起
- 调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
- 唤醒 _cond 条件变量中的 Thread_0，Thread_0 恢复运行，设置 _counter 为 0
-
先 unpark：
- 调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
- 当前线程调用 Unsafe.park() 方法
- 检查 _counter ，本情况为 1，这时线程无需挂起，继续运行，设置 _counter 为 0
2. 无锁
CAS
原理
无锁编程：Lock Free
CAS 的全称是 Compare-And-Swap，是 CPU 并发原语
- CAS 并发原语体现在 Java 语言中就是 sun.misc.Unsafe 类的各个方法，调用 UnSafe 类中的 CAS 方法，JVM 会实现出 CAS 汇编指令，这是一种完全依赖于硬件的功能，实现了原子操作
- CAS 是一种系统原语，原语属于操作系统范畴，是由若干条指令组成 ，用于完成某个功能的一个过程，并且原语的执行必须是连续的，执行过程中不允许被中断，所以 CAS 是一条 CPU 的原子指令，不会造成数据不一致的问题，是线程安全的
底层原理：CAS 的底层是 lock cmpxchg 指令（X86 架构），在单核和多核 CPU 下都能够保证比较交换的原子性
-
程序是在单核处理器上运行，会省略 lock 前缀，单处理器自身会维护处理器内的顺序一致性，不需要 lock 前缀的内存屏障效果
-
程序是在多核处理器上运行，会为 cmpxchg 指令加上 lock 前缀。当某个核执行到带 lock 的指令时，CPU 会执行总线锁定或缓存锁定，将修改的变量写入到主存，这个过程不会被线程的调度机制所打断，保证了多个线程对内存操作的原子性
作用：比较当前工作内存中的值和主物理内存中的值，如果相同则执行规定操作，否则继续比较直到主内存和工作内存的值一致为止
CAS 特点：
- CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发，线程不会陷入阻塞，线程不需要频繁切换状态（上下文切换，系统调用）
- CAS 是基于乐观锁的思想
CAS 缺点：
- 执行的是循环操作，如果比较不成功一直在循环，最差的情况某个线程一直取到的值和预期值都不一样，就会无限循环导致饥饿，使用 CAS 线程数不要超过 CPU 的核心数，采用分段 CAS 和自动迁移机制
- 只能保证一个共享变量的原子操作
- 对于一个共享变量执行操作时，可以通过循环 CAS 的方式来保证原子操作
- 对于多个共享变量操作时，循环 CAS 就无法保证操作的原子性，这个时候只能用锁来保证原子性
- 引出来 ABA 问题
乐观锁
CAS 与 synchronized 总结：
- synchronized 是从悲观的角度出发：总是假设最坏的情况，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞（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），因此 synchronized 也称之为悲观锁，ReentrantLock 也是一种悲观锁，性能较差
- CAS 是从乐观的角度出发：总是假设最好的情况，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据。如果别人修改过，则获取现在最新的值，如果别人没修改过，直接修改共享数据的值，CAS 这种机制也称之为乐观锁，综合性能较好
Atomic
常用API
常见原子类：AtomicInteger、AtomicBoolean、AtomicLong
构造方法：
public AtomicInteger()：初始化一个默认值为 0 的原子型 Integerpublic AtomicInteger(int initialValue)：初始化一个指定值的原子型 Integer
常用API：
| 方法 | 作用 |
|---|---|
| public final int get() | 获取 AtomicInteger 的值 |
| public final int getAndIncrement() | 以原子方式将当前值加 1，返回的是自增前的值 |
| public final int incrementAndGet() | 以原子方式将当前值加 1，返回的是自增后的值 |
| public final int getAndSet(int value) | 以原子方式设置为 newValue 的值，返回旧值 |
| public final int addAndGet(int data) | 以原子方式将输入的数值与实例中的值相加并返回 实例：AtomicInteger 里的 value |
原理分析
AtomicInteger 原理：自旋锁 + CAS 算法
CAS 算法：有 3 个操作数（内存值 V， 旧的预期值 A，要修改的值 B）
- 当旧的预期值 A == 内存值 V 此时可以修改，将 V 改为 B
- 当旧的预期值 A != 内存值 V 此时不能修改，并重新获取现在的最新值，重新获取的动作就是自旋
分析 getAndSet 方法：
-
AtomicInteger：
public final int getAndSet(int newValue) { /** * this: 当前对象 * valueOffset: 内存偏移量，内存地址 */ return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue); }valueOffset：偏移量表示该变量值相对于当前对象地址的偏移，Unsafe 就是根据内存偏移地址获取数据
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value")); //调用本地方法 --> public native long objectFieldOffset(Field var1); -
unsafe 类：
// val1: AtomicInteger对象本身，var2: 该对象值得引用地址，var4: 需要变动的数 public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) { int var5; do { // var5: 用 var1 和 var2 找到的内存中的真实值 var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4)); return var5; }var5：从主内存中拷贝到工作内存中的值（每次都要从主内存拿到最新的值到本地内存），然后执行
compareAndSwapInt()再和主内存的值进行比较，假设方法返回 false，那么就一直执行 while 方法，直到期望的值和真实值一样，修改数据 -
变量 value 用 volatile 修饰，保证了多线程之间的内存可见性，避免线程从工作缓存中获取失效的变量
private volatile int valueCAS 必须借助 volatile 才能读取到共享变量的最新值来实现比较并交换的效果
分析 getAndUpdate 方法：
-
getAndUpdate：
public final int getAndUpdate(IntUnaryOperator updateFunction) { int prev, next; do { prev = get(); //当前值，cas的期望值 next = updateFunction.applyAsInt(prev);//期望值更新到该值 } while (!compareAndSet(prev, next));//自旋 return prev; }函数式接口：可以自定义操作逻辑
AtomicInteger a = new AtomicInteger(); a.getAndUpdate(i -> i + 10); -
compareAndSet：
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { /** * this: 当前对象 * valueOffset: 内存偏移量，内存地址 * expect: 期望的值 * update: 更新的值 */ return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); }
原子引用
原子引用：对 Object 进行原子操作，提供一种读和写都是原子性的对象引用变量
原子引用类：AtomicReference、AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference
AtomicReference 类：
-
构造方法：
AtomicReference<T> atomicReference = new AtomicReference<T>() -
常用 API：
public final boolean compareAndSet(V expectedValue, V newValue)：CAS 操作public final void set(V newValue)：将值设置为 newValuepublic final V get()：返回当前值
public class AtomicReferenceDemo {
public static void main(String[] args) {
Student s1 = new Student(33, "z3");
// 创建原子引用包装类
AtomicReference<Student> atomicReference = new AtomicReference<>();
// 设置主内存共享变量为s1
atomicReference.set(s1);
// 比较并交换，如果现在主物理内存的值为 z3，那么交换成 l4
while (true) {
Student s2 = new Student(44, "l4");
if (atomicReference.compareAndSet(s1, s2)) {
break;
}
}
System.out.println(atomicReference.get());
}
}
class Student {
private int id;
private String name;
//。。。。
}
原子数组
原子数组类：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray
AtomicIntegerArray 类方法：
/**
* i the index
* expect the expected value
* update the new value
*/
public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) {
return compareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update);
}
原子更新器
原子更新器类：AtomicReferenceFieldUpdater、AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater
利用字段更新器，可以针对对象的某个域（Field）进行原子操作，只能配合 volatile 修饰的字段使用，否则会出现异常 IllegalArgumentException: Must be volatile type
常用 API：
static <U> AtomicIntegerFieldUpdater<U> newUpdater(Class<U> c, String fieldName)：构造方法abstract boolean compareAndSet(T obj, int expect, int update)：CAS
public class UpdateDemo {
private volatile int field;
public static void main(String[] args) {
AtomicIntegerFieldUpdater fieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater
.newUpdater(UpdateDemo.class, "field");
UpdateDemo updateDemo = new UpdateDemo();
fieldUpdater.compareAndSet(updateDemo, 0, 10);
System.out.println(updateDemo.field);//10
}
}
原子累加器
原子累加器类：LongAdder、DoubleAdder、LongAccumulator、DoubleAccumulator
LongAdder 和 LongAccumulator 区别：
相同点：
- LongAddr 与 LongAccumulator 类都是使用非阻塞算法 CAS 实现的
- LongAddr 类是 LongAccumulator 类的一个特例，只是 LongAccumulator 提供了更强大的功能，可以自定义累加规则，当accumulatorFunction 为 null 时就等价于 LongAddr
不同点：
-
调用 casBase 时，LongAccumulator 使用 function.applyAsLong(b = base, x) 来计算，LongAddr 使用 casBase(b = base, b + x)
-
LongAccumulator 类功能更加强大，构造方法参数中
- accumulatorFunction 是一个双目运算器接口，可以指定累加规则，比如累加或者相乘，其根据输入的两个参数返回一个计算值，LongAdder 内置累加规则
- identity 则是 LongAccumulator 累加器的初始值，LongAccumulator 可以为累加器提供非0的初始值，而 LongAdder 只能提供默认的 0
Adder
优化机制
LongAdder 是 Java8 提供的类，跟 AtomicLong 有相同的效果，但对 CAS 机制进行了优化，尝试使用分段 CAS 以及自动分段迁移的方式来大幅度提升多线程高并发执行 CAS 操作的性能
CAS 底层实现是在一个循环中不断地尝试修改目标值，直到修改成功。如果竞争不激烈修改成功率很高，否则失败率很高，失败后这些重复的原子性操作会耗费性能（导致大量线程空循环，自旋转）
优化核心思想：数据分离，将 AtomicLong 的单点的更新压力分担到各个节点，空间换时间，在低并发的时候直接更新，可以保障和 AtomicLong 的性能基本一致，而在高并发的时候通过分散减少竞争，提高了性能
分段 CAS 机制：
- 在发生竞争时，创建 Cell 数组用于将不同线程的操作离散（通过 hash 等算法映射）到不同的节点上
- 设置多个累加单元（会根据需要扩容，最大为 CPU 核数），Therad-0 累加 Cell[0]，而 Thread-1 累加 Cell[1] 等，最后将结果汇总
- 在累加时操作的不同的 Cell 变量，因此减少了 CAS 重试失败，从而提高性能
自动分段迁移机制：某个 Cell 的 value 执行 CAS 失败，就会自动寻找另一个 Cell 分段内的 value 值进行 CAS 操作
伪共享
Cell 为累加单元：数组访问索引是通过 Thread 里的 threadLocalRandomProbe 域取模实现的，这个域是 ThreadLocalRandom 更新的
// Striped64.Cell
@sun.misc.Contended static final class Cell {
volatile long value;
Cell(long x) { value = x; }
// 用 cas 方式进行累加, prev 表示旧值, next 表示新值
final boolean cas(long prev, long next) {
return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, valueOffset, prev, next);
}
// 省略不重要代码
}
Cell 是数组形式，在内存中是连续存储的，64 位系统中，一个 Cell 为 24 字节（16 字节的对象头和 8 字节的 value），每一个 cache line 为 64 字节，因此缓存行可以存下 2 个的 Cell 对象，当 Core-0 要修改 Cell[0]、Core-1 要修改 Cell[1]，无论谁修改成功都会导致当前缓存行失效，从而导致对方的数据失效，需要重新去主存获取，影响效率
@sun.misc.Contended：防止缓存行伪共享，在使用此注解的对象或字段的前后各增加 128 字节大小的 padding，使用 2 倍于大多数硬件缓存行让 CPU 将对象预读至缓存时占用不同的缓存行，这样就不会造成对方缓存行的失效
ABA
ABA 问题：当进行获取主内存值时，该内存值在写入主内存时已经被修改了 N 次，但是最终又改成原来的值
其他线程先把 A 改成 B 又改回 A，主线程仅能判断出共享变量的值与最初值 A 是否相同，不能感知到这种从 A 改为 B 又 改回 A 的情况，这时 CAS 虽然成功，但是过程存在问题
-
构造方法：
public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp)：初始值和初始版本号
-
常用API：
public boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp)：期望引用和期望版本号都一致才进行 CAS 修改数据public void set(V newReference, int newStamp)：设置值和版本号public V getReference()：返回引用的值public int getStamp()：返回当前版本号
public static void main(String[] args) {
AtomicStampedReference<Integer> atomicReference = new AtomicStampedReference<>(100,1);
int startStamp = atomicReference.getStamp();
new Thread(() ->{
int stamp = atomicReference.getStamp();
atomicReference.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1);
stamp = atomicReference.getStamp();
atomicReference.compareAndSet(101, 100, stamp, stamp + 1);
},"t1").start();
new Thread(() ->{
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
if (!atomicReference.compareAndSet(100, 200, startStamp, startStamp + 1)) {
System.out.println(atomicReference.getReference());//100
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程修改失败");
}
},"t2").start();
}
Unsafe
Unsafe 是 CAS 的核心类，由于 Java 无法直接访问底层系统，需要通过本地（Native）方法来访问
Unsafe 类存在 sun.misc 包，其中所有方法都是 native 修饰的，都是直接调用操作系统底层资源执行相应的任务，基于该类可以直接操作特定的内存数据，其内部方法操作类似 C 的指针
模拟实现原子整数：
public static void main(String[] args) {
MyAtomicInteger atomicInteger = new MyAtomicInteger(10);
if (atomicInteger.compareAndSwap(20)) {
System.out.println(atomicInteger.getValue());
}
}
class MyAtomicInteger {
private static final Unsafe UNSAFE;
private static final long VALUE_OFFSET;
private volatile int value;
static {
try {
//Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe()这样会报错，需要反射获取
Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
theUnsafe.setAccessible(true);
UNSAFE = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
// 获取 value 属性的内存地址，value 属性指向该地址，直接设置该地址的值可以修改 value 的值
VALUE_OFFSET = UNSAFE.objectFieldOffset(
MyAtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
throw new RuntimeException();
}
}
public MyAtomicInteger(int value) {
this.value = value;
}
public int getValue() {
return value;
}
public boolean compareAndSwap(int update) {
while (true) {
int prev = this.value;
int next = update;
// 当前对象 内存偏移量 期望值 更新值
if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, VALUE_OFFSET, prev, update)) {
System.out.println("CAS成功");
return true;
}
}
}
}
不可变
不可变：如果一个对象不能够修改其内部状态（属性），那么就是不可变对象
不可变对象线程安全的，不存在并发修改和可见性问题，是另一种避免竞争的方式
String 类也是不可变的，该类和类中所有属性都是 final 的
-
类用 final 修饰保证了该类中的方法不能被覆盖，防止子类无意间破坏不可变性
-
无写入方法（set）确保外部不能对内部属性进行修改
-
属性用 final 修饰保证了该属性是只读的，不能修改
public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence { /** The value is used for character storage. */ private final char value[]; //.... } -
更改 String 类数据时，会构造新字符串对象，生成新的 char[] value，通过创建副本对象来避免共享的方式称之为保护性拷贝
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