多线程相关知识整理

java内存区域和内存模型是不一样的东西，内存区域是指Jvm运行时将数据分区存储，强调对内存空间的划分。而内存模型是定义了线程和主内存之间的关系，即JVM在计算内存中的工作方式，如果我们想要深入了解JAVA并发编程，就要先理解好JAVA内存模型。

——Java内存区域（运行时数据区域）和内存模型（JMM）

多线程编程的三个重要特性：

• 原子性：多个线程对一段代码的操作是互斥的
• 可见性：一个线程对于变量做出的修改能够及时被其他线程查看到
• 有序性：除了满足happens-before原则的语句，其他的基本指令的顺序都是可以被编译器优化的

以上三个特性是实现线程安全的基础。

原子性

java中提供多种保证原子性的机制：

• CompareAndSwap(CAS)

意即比较并交换，这里使用了CPU的CAS指令保证了操作的原子性，当一个线程要改变一个变量t的值，需要向cpu提供期待的t的值x，以及调整后的值y，CAS指令会比较主内存中t的真实值和x，如果两者相等，就把y赋值给t，否则不做任何操作。

java.util.concurrent.atomic（JUC）包中提供了支持CAS操作的工具类，包括针对基本数据类型的AtomicInteger、AtomicLong等，以及针对未知对象的AtomicReference，或者是针对对象的某个变量的AtomicReferenceFieldUpdater。它们的基本思路就是在一个while循环中调用CAS，直到修改成功。

这种方式能够保证修改的正确性，但是如果竞争较激烈，长时间的while循环将占用大量资源。

针对以上的问题，其中一个解决方案是分而治之，LongAdder就是采用了这个思想，将要访问的变量分为多块，不同的线程对不同的块做出修改，最终对所有修改结果进行汇总，即最终结果。但是这样也会有个问题，子线程上进行的操作有可能不会立即更新到主内存，这样当写操作比较频繁的时候，读取到的结果很有可能不会是最新的，但是这种机制能够保证最终的结果一定是正确的。

同时简单的CAS也会带来ABA的问题，当前线程仅仅是通过比较值是否相同来确定变量是否被修改，这是有问题的，例如对于变量x，有两个子线程A和B都能够对之进行修改，如果B线程将变量x修改为y，之后又修改为x，此时对于线程A来说，变量的值依旧是x，没有做出改变，所以可以通过CAS操作修改变量的值，但是此时的x是已经被B修改过的了。为了解决ABA问题，可以添加一个辅助变量，以记录变量的版本号，AtomicStampedReference即采用了这种思路，只有当变量的值以及版本号都一致，才可以认为变量未被修改。

• 锁

java中，锁有多种实现方式，可以通过java自带的synchronized关键字实现对代码块、方法、类的锁定，也可以通过JUC中提供的lock加锁。

synchronized关键字实现的是非公平锁，相对于JUC中的锁，它使用起来更方便，不会出现因为忘记解锁而导致死锁的情况，但是相对于synchronized，JUC提供的锁有几个独特的点：

1. 可以指定是否为公平锁
2. 其中提供condition队列
3. 可以中断等待获取锁的线程

现阶段实际编程过程中，如果没有用到只有JUC才能够提供的功能，最好是使用synchronized关键字加锁。

可见性

synchronized关键字和volatile关键字可以用来保证可见性。

在线程加锁时，会清空工作内存中共享变量的值，及时获取共享变量在主内存中的值；线程解锁前，工作内存中对共享变量做出的修改必须被刷新到主内存中。由此，synchronized关键字可以保证变量的可见性。

而volatile关键字则更加简单粗暴，被volatile关键字修饰的变量具有以下特性，当用到该变量的时候，必须从主内存中进行读取，而不是使用线程工作内存中的值，对变量做出的修改必须马上刷新到主内存中。基于此，可以利用volatile关键字实现一个信号量，一个线程中对于该信号量的修改可以及时被其他线程观测到。

有序性

现阶段对于有序性的理解仅在于双重判断的单例模式。线程A中初始化一个对象，具体执行顺序如下：

1. 申请内存空间
2. 初始化对象
3. 发布对象

正常来看这个顺序是没问题的，但是JustInTime（JIT）会对指令执行顺序进行优化，例如可能优化成1-3-2，这样，线程A中对象还没有被初始化完成就被发布出去，一旦其他的线程B读取并使用了这个还没有被初始化的对象，就可能会造成一些问题，volatile关键字可以保证这段指令不会被优化。

 

待续~