并发下，ConsurrentHashMap与关键字 volatile 、保证原子性的AtomicInteger

Posted on 2020-06-17 11:20 shyHorse 阅读(704) 评论(0) 编辑收藏举报

一、ConsurrentHashMap

　　　HashMap 线程不安全，非阻塞的，效率高，在多线程情况下使用put可能会导致死循环，故多线程下不建议使用HashMap

　　　Hashtable 线程安全，阻塞的，效率低，其同步锁使A线程访问时B线程只能等待，好处是获取到的数据是最新的

　　　ConcurrentHashMap 线程安全，非阻塞的，效率相对hashtable高，在更新时会局部锁住某部分数据，但不会把整个表都锁住，同步读取操作则是完全非阻塞的，坏处是严格来说读取操作不能保证反映最近的更新；ConcurrentHashMap所使用的锁分段技术，首先将数据分成一段一段的存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问。例如线程A调用putAll写入大量数据，期间线程B调用get，则只能get到目前为止已经顺利插入的部分数据

二、volatile关键字

　先补充一下概念：Java 内存模型中的可见性、原子性和有序性。

可见性：

　　可见性是一种复杂的属性，因为可见性中的错误总是会违背我们的直觉。通常，我们无法确保执行读操作的线程能适时地看到其他线程写入的值，有时甚至是根本不可能的事情。为了确保多个线程之间对内存写入操作的可见性，必须使用同步机制。

　　可见性，是指线程之间的可见性，一个线程修改的状态对另一个线程是可见的。也就是一个线程修改的结果。另一个线程马上就能看到。比如：用volatile修饰的变量，就会具有可见性。volatile修饰的变量不允许线程内部缓存和重排序，即直接修改内存。所以对其他线程是可见的。但是这里需要注意一个问题，volatile只能让被他修饰内容具有可见性，但不能保证它具有原子性。比如 volatile int a = 0；之后有一个操作 a++；这个变量a具有可见性，但是a++ 依然是一个非原子操作，也就是这个操作同样存在线程安全问题。

　　在 Java 中 volatile、synchronized 和 final 实现可见性。

原子性：

　　原子是世界上的最小单位，具有不可分割性。比如 a=0；（a非long和double类型）这个操作是不可分割的，那么我们说这个操作时原子操作。再比如：a++；这个操作实际是a = a + 1；是可分割的，所以他不是一个原子操作。非原子操作都会存在线程安全问题，需要我们使用同步技术（sychronized）来让它变成一个原子操作。一个操作是原子操作，那么我们称它具有原子性。java的concurrent包下提供了一些原子类，我们可以通过阅读API来了解这些原子类的用法。比如：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。

　　在 Java 中 synchronized 和在 lock、unlock 中操作保证原子性。

有序性：

　　Java 语言提供了 volatile 和 synchronized 两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile 是因为其本身包含“禁止指令重排序”的语义，synchronized 是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行 lock 操作”这条规则获得的，此规则决定了持有同一个对象锁的两个同步块只能串行执行。

　　关于“volatile 禁止指令重排序””解释：

　　volatile变量法则：对volatile域的写入操作happens-before于每一个后续对同一个域的读写操作。
　关于java重排序：
　　重排序（Reordering）是JVM针对现代CPU的一种优化，Reordering后的指令会在性能上有很大提升。
　　Java编译器的重排序(Reording)操作有可能导致执行顺序和代码顺序不一致。

　　Java语言规范规定了JVM要维护内部线程类似顺序化语义(within-thread as-is-serial semantics)：只要程序的最终结果等同于它在严格的顺序化环境中执行的结果，那么上述所有的行为都是允许的。
　　解释：假设代码有两条语句，代码顺序是语句1先于语句2执行；那么只要语句2不依赖于语句1的结果，打乱它们的顺序对最终的结果没有影响的话，那么真正交给CPU去执行时，他们的顺序可以是没有限制的

　　　JMM中一个重要问题就是：如何让多线程之间，对象的状态对于各线程的“可视性”是顺序一致的。它的解决方式就是 Happens-before 规则：
　　　JMM为所有程序内部动作定义了一个偏序关系，叫做happens-before。要想保证执行动作B的线程看到动作A的结果（无论A和B是否发生在同一个线程中），A和B之间就必须满足happens-before关系。

　　① 程序次序法则：线程中的每个动作A都happens-before于该线程中的每一个动作B，其中，在程序中，所有的动作B都能出现在A之后。
　　② 监视器锁法则：对一个监视器锁的解锁 happens-before于每一个后续对同一监视器锁的加锁。
　　③ volatile变量法则：对volatile域的写入操作happens-before于每一个后续对同一个域的读写操作。
　　④ 线程启动法则：在一个线程里，对Thread.start的调用会happens-before于每个启动线程的动作。
　　⑤ 线程终结法则：线程中的任何动作都happens-before于其他线程检测到这个线程已经终结、或者从Thread.join调用中成功返回，或Thread.isAlive返回false。
　　⑥ 中断法则：一个线程调用另一个线程的interrupt happens-before于被中断的线程发现中断。
　　⑦ 终结法则：一个对象的构造函数的结束happens-before于这个对象finalizer的开始。
　　⑧ 传递性：如果A happens-before于B，且B happens-before于C，则A happens-before于C

volatile原理：

　　Java语言提供了一种稍弱的同步机制，即volatile变量，用来确保将变量的更新操作通知到其他线程。当把变量声明为volatile类型后，编译器与运行时都会注意到这个变量是共享的，因此不会将该变量上的操作与其他内存操作一起重排序。volatile变量不会被缓存在寄存器或者对其他处理器不可见的地方，因此在读取volatile类型的变量时总会返回最新写入的值。

　　在访问volatile变量时不会执行加锁操作，因此也就不会使执行线程阻塞，因此volatile变量是一种比sychronized关键字更轻量级的同步机制。

　　当对非 volatile 变量进行读写的时候，每个线程先从内存拷贝变量到CPU缓存中。如果计算机有多个CPU，每个线程可能在不同的CPU上被处理，这意味着每个线程可以拷贝到不同的 CPU cache 中。

　　而声明变量是 volatile 的，JVM 保证了每次读变量都从内存中读，跳过 CPU cache 这一步。

当一个变量定义为 volatile 之后，将具备两种特性：

　　1.保证此变量对所有的线程的可见性，这里的“可见性”，如本文开头所述，当一个线程修改了这个变量的值，volatile 保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。但普通变量做不到这点，普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存（详见：Java内存模型）来完成。

　　2.禁止指令重排序优化。有volatile修饰的变量，赋值后多执行了一个“load addl $0x0, (%esp)”操作，这个操作相当于一个内存屏障（指令重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置），只有一个CPU访问内存时，并不需要内存屏障；（什么是指令重排序：是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理）。