并发编程-原子性

并发编程-原子性

我们都清楚当多个线程去同时做一件事情的时候，我们需要考虑原子性、可见性、和有序性这几个问题，本章主要说原子性，以下是阐述内容

1. 原子性：主要用原子性问题进行展开讨论
2. 同步锁(synchronize)：使用同步锁解决问题
3. MarkWord对象头：锁的状态存在哪里
4. synchronize的锁升级机制：多个线程抢占资源的时候，锁的底层状态是如何改变的
5. CAS机制：当无锁化时候（例如自旋锁的时候，cas起到的作用）

线程的原子性

【原子性】：指的是一个操作一旦进行就不能被别的操作进行干扰。我们创建两个线程对一个数字进行增加，两个线程都增加数字10000，按照常理来讲，结果应该是20000，实则不然

public class AtomicDemo {
    private int i =0;
    private void  mock(){
        i++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicDemo atomicDemo=new AtomicDemo();
        Thread[] thread =new Thread[2];
        for (int i = 0; i < thread.length; i++) {
            thread[i]=new Thread(()->{
                for (int j = 0; j <10000 ; j++) {
                    atomicDemo.mock();
                }
            });
            thread[i].start();
        }
        thread[0].join();
        thread[1].join();
        System.out.println(atomicDemo.i);
    }
}

运行结果为（证明肯定有一个线程被打扰到，否则结果肯定是20000，这就是一个典型的原子性问题）

 分析为什么导致

以上述demo为例，实际上当线程对 i 进行 ++ 的时候，在底层分三步

• 加载 内存中 i
• 对i++
• 把++后的数据写入内存

那我们可以想象一下，当线程a正在对i++

• ->此时线程cpu切换到线程B
• ->当线程b把i=0变成i=1
• ->这个时候cpu又切换到线程a
• ->那么线程a按照之前执行的位置再次进行相加，但是之前的位置是i=0，所以两个线程都循环了一次结果却只是相加了1
• 这就是为什么最终结果不等于20000 的原因了

进行验证：打开terminal 输入 [javap -v AtomicDemo.class] 查看字节指令

 所以很有可能在某个过程中被别的线程打断，从而得到我们预期外的结果

如何解决这一问题？

实质上有很多方法解决，我们今天只围绕synchronized进行展开，我们只用给这个方法加上synchronized就可以了。

synchronize是什么、如何使用？

synchronize就是一种排他锁，换句话说是一种互斥锁，他可以同一时间只让一个线程对你的逻辑进行访问，那么我我们的逻辑受到怎么样的保护，或者说这个关键字的范围是什么呢？如何使用呢？

可以修饰：实例方法（对象范围）、代码块（取决于括号中你所放置的内容this/对象.class）、静态方法(对象范围)

实例方法：

如果两个线程同时访问不同对象的同一个方法，那么他们不是互斥关系，就是这个关键字不会保护你的逻辑

 

 如果访问的是同一个对象，则会对你的逻辑进行保护，比如你的method1中写了一个逻辑，必须等线程1执行完成线程而才能执行

 代码块：如果你的括号中写的是this那和实例方法的作用域是一样的

 但是如果括号中写的是**.class那作用域就是不管多少线程想执行必须一个一个进行排队

 静态方法（因为静态方法是一个类产生就产生的，所以他的作用也是全局的）

 tips: 细细想来，其实是对象决定synchronized 的范围，我们想想，如果有多个线程抢占同一个资源，那其中一个抢占到怎么通知别的线程这个坑位已经被抢占了呢？是否有一个全局的位置去存储锁的标记呢，那既然对象决定关键字的范围，那么一个资源是否被抢占到，【是否抢占标记】是否会存储在每个对象中呢?对的，现在就来说一下MarkWord对象头

 MarkWord（就是对象在内存中布局的三大部分中的2/1部分，这一部分存储着锁的标记）

对象在内存中的布局分为：

• 对象头（Header）:这一部分由两部分组成
  • Mark Word：这一部分就是存储锁的标记　　
  • class 对象指针（类元信息）：对象对应的原数据对象的内存地址
• 实例数据（Instance Data）：这里存储的就是对象的成员变量等

• 对齐填充（Padding）：这一部分属于一个优化部分，由于HotSpot VM的自动内存管理要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，所以如果不是8的倍数，那就就会自动填充为8的倍数，否则进行读取就会消耗多余的性能，仅此而已

tips: 由下图可以看出，当线程对资源进行获取的时候，看一下这个锁的状态，在决定是否进行抢占，这个是否可以抢占在你规定的对象中存储，这也就是为什么线程对两个不同的对象的资源进行抢占时，其资源不受保护的原因了，（因为他们有不同的锁的状态）

 我们来看看是否锁的状态被存储了起来

　　增加这个jar,这是用来查询对象的大小和布局的工具，由 openjdk 提供

<dependency>
            <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
            <artifactId>jol-core</artifactId>
            <version>0.9</version>
</dependency>

我们用这张图片作为参考去查询锁的状态

 对对象的布局进行打印

 结果如下：

tip:我们已经知道了锁的状态被存储起来，那么那些轻量级、重量级、等等，锁的状态都代表了什么呢，锁的状态是怎么流转的呢，来让我们继续剖析，以及来模拟状态并且看一下状态markword中的状态是否变了...

 synchronize的锁升级机制

【在jdk1.6之前只有无锁->重量级锁，使用‘synchronize’的流程是，如果一个线程没有抢占到资源，那就直接是一个重量级锁的状态，为了提高性能，才有了后面的锁的状态】

     synchronize锁的类型有这几种：

• 无锁：
• 偏向锁：就是当没有线程对资源竞争的时候，
  • 此时线程a得到了资源，
  • 那这个锁就会存储一个线程a的指向地址，
  • 下次线程a再次进入资源，就不需要抢占锁，直接可以进行执行
• 轻量级锁：避免线程阻塞（因为如何线程阻塞，我们再次对线程进行唤醒，那就增加了性能开销，也就是从用户态到内核态） -》从偏向锁升级而来
  • 线程b也来抢占资源，但是发现锁已经偏向了线程a,那么他就要升级为轻量级锁，轻量级锁，使用自旋锁进行实现
    • 自旋锁：实际上就是用一个for循环不断询问时候别的线程已经执行完成，当前正在抢占线程的线程就可以执行，然而在循环的时候肯定会牵扯到线程问题，那么我们用CAS进行实现
• 重量级锁：比较消耗性能，为了优化，所以在1.6后引入了偏向锁和轻量级锁
  • 牵扯用户态到内核态的交换（用户态就是在java中的操作，而内核态就牵扯到cpu层的操作，所以更消耗性能），
  • 没有获得锁的线程会阻塞，当这个线程获得锁的时候在进行唤醒  

 我们来验证是否锁的流程是像我们说的一样

public class LockDemo {
    Object o=new Object();
    public static void main(String[] args) {
        LockDemo lockDemo=new LockDemo();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lockDemo).toPrintable());
        // 加锁后的状态
        System.out.println("加锁之后--------");
        synchronized (lockDemo){
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lockDemo).toPrintable());
        }
    }
}

我们观察markword中的状态，参考查询锁的状态那张图

 我们发现，按照上面的画的流程来讲，应该首先是无锁，之后是偏向锁啊，为什么这里是自旋锁的？因为偏向锁是默认关闭的，因为在程序启动的时候已经有一些我们不知道的线程在底层运行了，那么下个线程来的话直接就会执行重量级锁了。

public class HeightLockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        HeightLockDemo heightLockDemo = new HeightLockDemo();
        Thread thread = new Thread(() -> {
            synchronized (heightLockDemo) {
                System.out.println("线程1");
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(heightLockDemo).toPrintable());
            }
        });
        thread.start();
        synchronized (heightLockDemo) {
            System.out.println("主线程");
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(heightLockDemo).toPrintable());
        }
    }
}

 CAS机制：

【CAS(Compare And Set)】:其实就是在操作逻辑之前，拿之前的数值，和你的预期 值进行对比，如果相同那就修改你传入的新的数值。实际上有点像数据库的乐观锁

　　那在轻量级锁中大概的流程就是这样的：首先不断循环->判断cas,如果cas返回ture则对锁的状态进行修改，当然除了cas的判断外可以进行breadk，肯定还有自旋次数的限制，否则循环就无终止了 

在java中有使用cas的例子【sun.misc.Unsafe#compareAndSwapObject】

那么CAS的底层又是如何实现的，因为在底层也是多个线程来抢占这个CAS的，其实CAS的底层也是用锁来实现的，只不过是CPU层面的锁。