Java 中有哪些无锁技术来解决并发问题？如何使用？

除了使用 synchronized、Lock 加锁之外，Java 中还有很多不需要加锁就可以解决并发问题的工具类

1、原子工具类

JDK 1.8 中，java.util.concurrent.atomic 包下类都是原子类，原子类都是基于 sun.misc.Unsafe 实现的。

• CPU 为了解决并发问题，提供了 CAS 指令，全称 Compare And Swap，即比较并交互
• CAS 指令需要 3 个参数，变量、比较值、新值。当变量的当前值与比较值相等时，才把变量更新为新值
• CAS 是一条 CPU 指令，由 CPU 硬件级别上保证原子性
• java.util.concurrent.atomic 包中的原子分为：原子性基本数据类型、原子性对象引用类型、原子性数组、原子性对象属性更新器和原子性累加器

原子性基本数据类型：AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong

原子性对象引用类型：AtomicReference、AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference

原子性数组：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray

原子性对象属性更新：AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater

原子性累加器：DoubleAccumulator、DoubleAdder、LongAccumulator、LongAdder

修改我们之前测试原子性问题的类，使用 AtomicInteger 的简单例子

package constxiong.concurrency.a026;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * 测试 原子类 AtomicInteger
 * 
 * @author ConstXiong
 */
public class TestAtomicInteger {

    // 计数变量
    static volatile AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 线程 1 给 count 加 10000
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                count.incrementAndGet();
            }
            System.out.println("thread t1 count 加 10000 结束");
        });

        // 线程 2 给 count 加 10000
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                count.incrementAndGet();
            }
            System.out.println("thread t2 count 加 10000 结束");
        });

        // 启动线程 1
        t1.start();
        // 启动线程 2
        t2.start();

        // 等待线程 1 执行完成
        t1.join();
        // 等待线程 2 执行完成
        t2.join();

        // 打印 count 变量
        System.out.println(count.get());
    }

}

打印结果如预期

thread t2 count 加 10000 结束
thread t1 count 加 10000 结束
20000

2、线程本地存储

• java.lang.ThreadLocal 类用于线程本地化存储。
• 线程本地化存储，就是为每一个线程创建一个变量，只有本线程可以在该变量中查看和修改值。
• 典型的使用例子就是，spring 在处理数据库事务问题的时候，就用了 ThreadLocal 为每个线程存储了各自的数据库连接 Connection。
• 使用 ThreadLocal 要注意，在不使用该变量的时候，一定要调用 remove() 方法移除变量，否则可能造成内存泄漏的问题。

示例

package constxiong.concurrency.a026;

/**
 * 测试 原子类 AtomicInteger
 * 
 * @author ConstXiong
 */
public class TestThreadLocal {

    // 线程本地存储变量
    private static final ThreadLocal<Integer> THREAD_LOCAL_NUM = new ThreadLocal<Integer>() {
        @Override
        protected Integer initialValue() {//初始值
            return 0;
        }
    };

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {// 启动三个线程
            Thread t = new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    add10ByThreadLocal();
                }
            };
            t.start();
        }
    }

    /**
     * 线程本地存储变量加 5
     */
    private static void add10ByThreadLocal() {
        try {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Integer n = THREAD_LOCAL_NUM.get();
                n += 1;
                THREAD_LOCAL_NUM.set(n);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : ThreadLocal num=" + n);
            }
        } finally {
            THREAD_LOCAL_NUM.remove();// 将变量移除
        }
    }
}

每个线程最后一个值都打印到了 5

Thread-0 : ThreadLocal num=1
Thread-2 : ThreadLocal num=1
Thread-1 : ThreadLocal num=1
Thread-2 : ThreadLocal num=2
Thread-0 : ThreadLocal num=2
Thread-2 : ThreadLocal num=3
Thread-0 : ThreadLocal num=3
Thread-1 : ThreadLocal num=2
Thread-0 : ThreadLocal num=4
Thread-2 : ThreadLocal num=4
Thread-0 : ThreadLocal num=5
Thread-1 : ThreadLocal num=3
Thread-2 : ThreadLocal num=5
Thread-1 : ThreadLocal num=4
Thread-1 : ThreadLocal num=5

3、copy-on-write

• 根据英文名称可以看出，需要写时复制，体现的是一种延时策略。
• Java 中的 copy-on-write 容器包括：CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet。
• 涉及到数组的全量复制，所以也比较耗内存，在写少的情况下使用比较适合。

简单的 CopyOnWriteArrayList 的示例，这里只是说明 CopyOnWriteArrayList 怎么用，并且是线程安全的。这个场景并不适合使用 CopyOnWriteArrayList，因为写多读少。

package constxiong.concurrency.a026;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

/**
 * 测试 copy-on-write
 * @author ConstXiong
 */
public class TestCopyOnWrite {

    private static final Random R = new Random();
    
    private static CopyOnWriteArrayList<Integer> cowList = new CopyOnWriteArrayList<Integer>();
//    private static ArrayList<Integer> cowList = new ArrayList<Integer>();
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List<Thread> threadList = new ArrayList<Thread>();
        //启动 1000 个线程，向 cowList 添加 5 个随机整数
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            Thread t = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 5; j++) {
                    //休眠 10 毫秒，让线程同时向 cowList 添加整数，引出并发问题
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    cowList.add(R.nextInt(100));
                }
            }) ;
            t.start();
            threadList.add(t);
        }
        
        for (Thread t : threadList) {
            t.join();
        }
        System.out.println(cowList.size());
    }
}

打印结果

5000

如果把

private static CopyOnWriteArrayList<Integer> cowList = new CopyOnWriteArrayList<Integer>();

改为

private static ArrayList<Integer> cowList = new ArrayList<Integer>();

打印结果就是小于 5000 的整数了

  

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