并发编程之美

一、AQS

什么是AQS

fifo队列 + 原子int（表示状态）

原子int：AtomicInteger这个类的存在是为了满足在高并发的情况下,原生的整形数值自增线程不安全的问题；

AQS(AbstractQueuedSynchronizer)，AQS是JDK下提供的一套用于实现基于FIFO（先进先出）等待队列的阻塞锁和相关的同步器的一个同步框架。这个抽象类被设计为作为一些可用原子int值来表示状态的同步器的基类。如果你有看过类似 CountDownLatch 类的源码实现，会发现其内部有一个继承了 AbstractQueuedSynchronizer 的内部类 Sync。可见 CountDownLatch 是基于AQS框架来实现的一个同步器.类似的同步器在JUC下还有不少。(eg. Semaphore)

AQS用法

如上所述，AQS管理一个关于状态信息的单一整数，该整数可以表现任何状态。比如， Semaphore 用它来表现剩余的许可数，ReentrantLock 用它来表现拥有它的线程已经请求了多少次锁；FutureTask 用它来表现任务的状态(尚未开始、运行、完成和取消)。

java可重入锁-ReentrantLock实现细节

ReentrantLock支持两种获取锁的方式，一种是公平模型，一种是非公平模型。在继续之前，咱们先把故事元素转换为程序元素。

 

咱们先来说说公平锁模型：

初始化时， state=0，表示无人抢占了打水权。这时候，村民A来打水(A线程请求锁)，占了打水权，把state+1，如下所示：

线程A取得了锁，把 state原子性+1,这时候state被改为1，A线程继续执行其他任务，然后来了村民B也想打水（线程B请求锁），线程B无法获取锁，生成节点进行排队，如下图所示：

初始化的时候，会生成一个空的头节点，然后才是B线程节点，这时候，如果线程A又请求锁，是否需要排队？答案当然是否定的，否则就直接死锁了。当A再次请求锁，就相当于是打水期间，同一家人也来打水了，是有特权的，这时候的状态如下图所示：

到了这里，相信大家应该明白了什么是可重入锁了吧。就是一个线程在获取了锁之后，再次去获取了同一个锁，这时候仅仅是把状态值进行累加。如果线程A释放了一次锁，就成这样了：

仅仅是把状态值减了，只有线程A把此锁全部释放了，状态值减到0了，其他线程才有机会获取锁。当A把锁完全释放后，state恢复为0，然后会通知队列唤醒B线程节点，使B可以再次竞争锁。当然，如果B线程后面还有C线程，C线程继续休眠，除非B执行完了，通知了C线程。注意，当一个线程节点被唤醒然后取得了锁，对应节点会从队列中删除。 

源码

AbstractQueuedSynchronizer(AQS)
//队列头
private transient volatile Node head;
//队列尾
private transient volatile Node tail;
同步状态
private volatile int state;

/**
* 获取锁，
/
public final void acquire(int arg) {
//尝试获取锁
if (!tryAcquire(arg) &&
//自旋获取锁
acquireQueued(

addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}

/**
* 获取锁,如果获取失败则会进入CLH队列
/
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// 获取原队尾
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
//用cas更新,pred是原来队尾，作为预期值，node作为新值
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
//前面cas更新失败后，再enq方法中循环用cas更新直到成功
enq(node);
return node;
}

/**
* 自旋获取锁
/
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
//拿到当前节点的前置节点
final Node p = node.predecessor();
//如果当前节点的前置节点是头节点的话，就再次尝试获取锁
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
//成功获取锁后，将节点设置为头节点
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
//更改当前节点前置节点的waitStatus，只有前置节点的waitStatus=Node.SIGNAL
//当前节点才有可能被唤醒。如果前置节点的waitStatus>0(即取消)，则跳过取更前面的节点
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
//通过Unsafe.park来阻塞线程
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}

/**
* 线程释放锁，从前面可以知道，获取到锁的线程会设置为CLH队列的头部。
这里如果tryRelease返回true，且head的waitStatus!=0。就会更新head的waitStatus为0并且 唤醒线程head.next节点的线程
/
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
//更新head的waitStatus为0并且唤醒线程head.next节点的线程
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}

/**
* 更新head的waitStatus为0并且唤醒线程head.next节点的线程
/
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
//waitStatus不是取消状态，就设置成0
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
//获取下个waitStatus不为取消的Node
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
//LockSupport.unpark是调用了Unsafe.unpark，唤醒线程
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}


/**
* CLH队列(FIFO双端双向队列)
/
static final class Node {
//用于标识共享锁
static final Node SHARED = new Node();
//用于标识独占锁
static final Node EXCLUSIVE = null;
/因为超时或者中断，节点会被设置为取消状态，被取消的节点时不会参与到竞争中的，他会一直保持取消状态不会转变为其他状态
static final int CANCELLED = 1;
//当前节点释放锁的时候，需要唤醒下一个节点
static final int SIGNAL = -1;
//节点在等待队列中，节点线程等待Condition唤醒
static final int CONDITION = -2;
//表示下一次共享式同步状态获取将会无条件地传播下去
static final int PROPAGATE = -3;

//等待状态
volatile int waitStatus;
//前驱节点
volatile Node prev;
//后继节点
volatile Node next;
//节点线程
volatile Thread thread;
//
Node nextWaiter;
}

二、CAS

一、cas概念

CAS(Compare And Swap)，即比较并交换。是解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制，CAS操作包含三个操作数——内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在CAS指令之前返回该位置的值。CAS有效地说明了“我认为位置V应该包含值A；如果包含该值，则将B放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。

二. CAS底层原理

首先来看看atomicInteger.getAndIncrement()为什么不加synchronized也能在多线程下保持线程安全

点开后,我们发现有个unsafe类,unsafe是CAS的核心类

1. Unsafe
是CAS的核心类，由于Java方法无法直接访问底层系统，需要通过本地(native) 方法来访问，Unsafe相当于-一个后门，基于该类可以直接操作特定内存的数据。Unsafe类 存在于sun.misc包中，其内部方法操作可以像C的指针一-样直接操作内存，因为Java中Unsafe是CAS的核心类，由于Java方法无法直接访问底层系统，需要通过本地(native) 方法来访问，Unsafe相当于一个后门，基于该类可以直接操作特定内存的数据。Unsafe类存在于sun.misc包中，其内部方法操作可以像C的指针一样直接操作内存，因为Java中CAS操作的执行依赖于Unsafe类的方法。注意Unsafe类中的所有方法都是native修饰的，也就是说Unsafe类中的方法都直接调用操作系统底层资源执行相应任务
注意Unsafe类中的所有方法都是native修饰的，也就是说Unsafe类中的方法都直接调用操作系统底层资源执行相应任务

2. 变量valueOffset, 表示该变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的。

3. 变量value用volatile修饰， 保证了多线程之间的内存可见性。

2.1 JMM内存模型(涉及到的知识点)
由于JMM运行程序的实体是线程，而每个线程创建时JVM都会为其创建一个工作内存(有些地方称为栈空间)，工作内存是每个线程的私有数据区域，而Java内存模型中规定所有变量都存储在主内存，主内存是共享内存区域，所有线程都可以访问，但线程对变量的操作(读取赋值等)必须在工作内存中进行，首先要将变量从主内存拷贝到的线程自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后再将变量写回主内存，不能直接操作主内存中的变量，各个线程中的工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝，因此不同的线程间无法访问对方的工作内存，线程间的通信(传值)必须通过主内存来完成，其简要访问过程如下图:

 

2.2 CAS底层

CAS的全称为Compare-And-Swap，它是一-条CPU并发原语。

它的功能是判断内存某个位置的值是否为预期值，如果是则更改为新的值，这个过程是原子的。

CAS并发原语体现在JAVA语言中就是sun.misc.Unsafe类中的各个方法。调用UnSafe类中的CAS方法，JVM会帮我们实现出CAS汇编指令。这是一种完全依赖于硬件的功能，通过它实现了原子操作。再次强调，由于CAS是一种系统原语，原语属于操作系统用语范畴，是由若干条指令组成的，用于完成某个功能的一一个过程，并且原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断，也就是说CAS是一条CPU的原子指令，不会 造成所谓的数据不一致问题。

首先, var1代表当前对象,var2代表对象的偏移地址,var4就是那个+1的值,然后getIntVolatile()这个方法去获取当前对象的这个值是多少,给他保存到var5,然后,过了一会,compareAndSwapInt()这个方法去再比较当前对象的值还是不是var5,是的话就给这个值+1,返回true,while里面就是false就退出循环,最后返回出+1后的值. 如果当前对象不是之前的var5了,返回一个false,while循环里面就是true,继续循环,拿到下一个值去比较,直到比较成功~

再来一遍,根据JMM内存模型来看

1. 假设有两个线程AB,根据上面的内存模型来看 AtomicInteger 里面的value原始值为5，即主内存中AtomicInteger的value为5，根据JMM模型，线程A和线程B各自持有一份值为5的value的副本分别到各自的工作内存。
2. 线程A通过getIntVolatile(var1, var2)拿到value值5， 这时线程A被挂起。
3. 线程B也通过getlntVolatile(var1, var2)方法获取到value值5， 此时刚好线程B没有被挂起并执行compareAndSwapInt方法比较内存值也为5，成功修改内存值为6，线程B打完收工，一切OK。
4. 这时线程A恢复，执行compareAndSwapInt方法比较， 发现自己手里的值数字5和主内存的值数字6不一致，说明该值已经被其它线程抢先一步修改过了，那A线程本次修改失败，只能重新读取新来一遍了。
5. 线程A重新获取value值， 因为变量value被volatile修饰， 所以其它线程对它的修改，线程A总是能够看到，线程A继续执行compareAndSwapInt进行比较替换，直到成功。

2.3 总结与应用

1. CAS (CompareAndSwap)总结

比较当前工作内存中的值和主内存中的值，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中的值一致为止.

2. CAS应用

CAS有3个操作数，内存值V;旧的预期值A，要修改的更新值B。
当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。.

3. CAS缺点

由于用了while循环,当在线程数比较大的情况下,如果失败可能会出现一直循环,导致CPU过高
只能保证一个共享变量的原子操作。
引出来ABA问题(反正就是狸猫换太子把戏)

三. 自旋锁SpinLock

是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式去尝试获取锁，这样的好处是减少线程上下文切换的消耗，缺点是循环会消耗CPU

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

/**
 * 自旋锁Demo
 */
public class SpinLockDemo {

    AtomicReference<Thread> atomicReference=new AtomicReference<>();

    public void myLock(){
       Thread thread=Thread.currentThread();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"	 "+"come in ^0^");

        while(!atomicReference.compareAndSet(null,thread)){

        }
    }

    public void myUnlock(){
        Thread thread=Thread.currentThread();
        atomicReference.compareAndSet(thread,null);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"	 "+ "invoke myUnlock()");
    }

    public static void main(String[] args) {

        SpinLockDemo spinLockDemo=new SpinLockDemo();

        new Thread(()->{
            spinLockDemo.myLock();
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            spinLockDemo.myUnlock();
        },"AAA").start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1); //保证线程绝对运行完毕
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        new Thread(()->{
            spinLockDemo.myLock();
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1); //加锁后延迟1s
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            spinLockDemo.myUnlock();
        },"BBB").start();

    }
}

• 这里我开始拿了个原子线程
• 定义一个加锁方法,是自旋锁,如果当前线程是空就把当前线程更新进去CAS,并且跳出循环,如果当前线程不是空,就会一直在while循环里一直判断
• 定义一个解锁办法,获取当前线程,如果原子线程还是当前线程,那就把它设置为null
• 主方法中,我先让线程AAA获取锁,并且sleep5秒钟,这个时候当前线程就会一直是AAA线程
• 然后BBB线程进来了,发现当前线程并不是null,而是AAA,就回一直循环判断当前线程什么时候为null,等到5秒后,线程AAA解锁了把当前原子线程释放掉了,这时候BB就拿到锁了,然后跳出循环,最终解锁~

三、各类锁总结

四、数据结构

	抛出异常	特殊值	阻塞	超时
插入	add(e)	offer(e)	put(e)	offer(e, time, unit)
移除	remove()	poll()	take()	poll(time, unit)
检查	element()	peek()	不可用	不可用

这里我们把上述操作进行分类

• 插入方法：

  • add(E e) : 添加成功返回true，失败抛IllegalStateException异常
  • offer(E e) : 成功返回 true，如果此队列已满，则返回 false。
  • put(E e) :将元素插入此队列的尾部，如果该队列已满，则一直阻塞

• 删除方法:

  • remove(Object o) :移除指定元素,成功返回true，失败返回false
  • poll() : 获取并移除此队列的头元素，若队列为空，则返回 null
  • take()：获取并移除此队列头元素，若没有元素则一直阻塞。

• 检查方法

  • element() ：获取但不移除此队列的头元素，没有元素则抛异常
  • peek() :获取但不移除此队列的头；若队列为空，则返回 null。

4.2常用的几种队列

ConcurrentLinkedQueue

基于CAS算法

ArrayBlockingQueue

基于独占锁的有界列表阻塞队列

源码解析

LinkedBlockingQueue

基于独占锁的有界数组阻塞队列

PriorityBlockingQueue

基于平衡二叉树带优先级的无界阻塞队列

特点：

1、直接遍历不保证有序，默认使用compareTo方法提供比较

DelayQueue

无界阻塞延迟队列，队列的每个元素都有过期时间，只有过去元素才会出队列，队列头是最快要过期的元素