JUC (Java Util Concurrency) 基础内容概述

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• 1. JUC概况
• 2. 原子操作
• 3. 指令重排
• 4. Happens-before法则：（Java 内存模型）
• JMM的特性：
• volatile语义：
• 5. CAS操作
• 6. Lock 锁
• 7. AQS
• AQS实现：
• Atomically managing synchronization state
• Blocking and unblocking threads
• Maintaining queues

1. JUC概况

以下是Java JUC包的主体结构：

​​​​

• Atomic : AtomicInteger
• Locks : Lock, Condition, ReadWriteLock
• Collections : Queue, ConcurrentMap
• Executer : Future, Callable, Executor
• Tools : CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore

2. 原子操作

多个线程执行一个操作时，其中任何一个线程要么完全执行完此操作，要么没有执行此操作的任何步骤，那么这个操作就是原子的。出现原因: synchronized的代价比较高。

以下以AtomicInteger为例：

• int addAndGet(int delta)：以原子方式将给定值与当前值相加。 实际上就是等于线程安全版本的i =i+delta操作。
• boolean compareAndSet(int expect, int update)：如果当前值 == 预期值，则以原子方式将该值设置为给定的更新值。 如果成功就返回true，否则返回false，并且不修改原值。
• int decrementAndGet()：以原子方式将当前值减 1。 相当于线程安全版本的–i操作。
• int getAndAdd(int delta)：以原子方式将给定值与当前值相加。 相当于线程安全版本的t=i;i+=delta;return t;操作。
• int getAndDecrement()：以原子方式将当前值减 1。 相当于线程安全版本的i–操作。
• int getAndIncrement()：以原子方式将当前值加 1。 相当于线程安全版本的i++操作。
• int getAndSet(int newValue)：以原子方式设置为给定值，并返回旧值。 相当于线程安全版本的t=i;i=newValue;return t;操作。
• int incrementAndGet()：以原子方式将当前值加 1。 相当于线程安全版本的++i操作。

3. 指令重排

你的程序并不能总是保证符合CPU处理的特性。

要程序的最终结果等同于它在严格的顺序化环境下的结果，那么指令的执行顺序就可能与代码的顺序不一致。

​​​​

多核CPU，大压力下，两个线程交替执行，x，y输出结果不确定。可能结果：

1 2 3 4

x =0， y =1 x =1， y =1 x =1， y =0 x =0， y =0

4. Happens-before法则：（Java 内存模型）

如果动作B要看到动作A的执行结果（无论A/B是否在同一个线程里面执行），那么A/B就需要满足happens-before关系。

Happens-before的几个规则：

• Program order rule：同一个线程中的每个Action都happens-before于出现在其后的任何一个Action。
• Monitor lock rule：对一个监视器的解锁happens-before于每一个后续对同一个监视器的加锁。
• Volatile variable rule：对volatile字段的写入操作happens-before于每一个后续的同一个字段的读操作。
• Thread start rule：Thread.start()的调用会happens-before于启动线程里面的动作。
• Thread termination rule：Thread中的所有动作都happens-before于其他线程检查到此线程结束或者Thread.join（）中返回或者Thread.isAlive()==false。
• Interruption rule：一个线程A调用另一个另一个线程B的interrupt（）都happens-before于线程A发现B被A中断（B抛出异常或者A检测到B的isInterrupted（）或者interrupted()）。
• Finalizer rule：一个对象构造函数的结束happens-before与该对象的finalizer的开始
• Transitivity：如果A动作happens-before于B动作，而B动作happens-before与C动作，那么A动作happens-before于C动作。
  因为CPU是可以不按我们写代码的顺序执行内存的存取过程的，也就是指令会乱序或并行运行， 只有上面的happens-before所规定的情况下，才保证顺序性。

JMM的特性：

多个CPU之间的缓存也不保证实时同步；

JMM不保证创建过程的原子性，读写并发时，可能看到不完整的对象。（so D-check）

volatile语义：

volatile实现了类似synchronized的语义，却又没有锁机制。它确保对 volatile字段的更新以可预见的方式告知其他的线程。

1. Java 存储模型不会对volatile指令的操作进行重排序：这个保证对volatile变量的操作时按照指令的出现顺序执行的。
2. volatile变量不会被缓存在寄存器中（只有拥有线程可见），每次总是从主存中读取volatile变量的结果。

ps：volatile并不能保证线程安全的，也就是说volatile字段的操作不是原子性的，volatile变量只能保证可见性。

5. CAS操作

Compare and Swap

CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值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。

实现简单的非阻塞算法:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

privatevolatileintvalue;// 借助volatile原语，保证线程间的数据是可见的 publicfinalintget() { returnvalue; } publicfinalintincrementAndGet() { for(;;) { intcurrent = get(); intnext = current +1; if(compareAndSet(current, next)) returnnext; }//Spin自旋等待直到返为止置 }

整个J.U.C都是建立在CAS之上的，对于synchronized阻塞算法，J.U.C在性能上有了很大的提升。会出现所谓的“ABA”问题

6. Lock 锁

Synchronized属于独占锁，高并发时性能不高，JDK5以后开始用JNI实现更高效的锁操作。

Lock—->

ReentrantLock—->

ReentrantReadWriteLock.ReadLock / ReentrantReadWriteLock.writeLock

ReadWriteLock—-> ReentrantReadWriteLock

LockSupport

Condition

方法名称	作用
void lock()	获取锁。如果锁不可用，出于线程调度目的，将禁用当前线程，并且在获得锁之前，该线程将一直处于休眠状态。
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;	如果当前线程未被中断，则获取锁。如果锁可用，则获取锁，并立即返回。
Condition newCondition();	返回绑定到此 Lock 实例的新 Condition 实例
boolean tryLock();	仅在调用时锁为空闲状态才获取该锁
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;	如果锁在给定的等待时间内空闲，并且当前线程未被中断，则获取锁
void unlock();	释放锁

PS : 一般来说，获取锁和释放锁是成对儿的操作，这样可以避免死锁和资源的浪费。

注：在 finally 里面做释放锁的操作

7. AQS

锁机制实现的核心所在。AbstractQueuedSynchronizer是Lock/Executor实现的前提。

​​​​

AQS实现：

基本的思想是表现为一个同步器，AQS支持下面两个操作：

acquire：

1 2 3 4 5

while(synchronization state does not allow acquire){ enqueue current threadifnot already queued; possibly block current thread; } dequeue current threadifit was queued;

release：

1 2 3

update synchronization state; if(state may permit a blocked thread to acquire) unlock one or more queued threads;

要支持这两个操作，需要实现的三个条件：

• Atomically managing synchronization state（原子性操作同步器的状态位）
• Blocking and unblocking threads（阻塞和唤醒线程）
• Maintaining queues（维护一个有序的队列）

Atomically managing synchronization state

使用一个32位整数来描述状态位：private volatile int state; 对其进行CAS操作，确保值的正确性。

Blocking and unblocking threads

JDK 5.0以后利用JNI在LockSupport类中实现了线程的阻塞和唤醒。

LockSupport.park() //在当前线程中调用，导致线程阻塞

LockSupport.park(Object)

LockSupport.unpark(Thread)

Maintaining queues

在AQS中采用CHL列表来解决有序的队列的问题。（CHL= Craig, Landin, and Hagersten）

​​​​

Node里面是什么结构？

​​​​

WaitStatus –>节点的等待状态，一个节点可能位于以下几种状态：

• CANCELLED = 1： 节点操作因为超时或者对应的线程被interrupt。节点不应该不留在此状态，一旦达到此状态将从CHL队列中踢出。
• SIGNAL = -1： 节点的继任节点是（或者将要成为）BLOCKED状态（例如通过LockSupport.park()操作），因此一个节点一旦被释放（解锁）或者取消就需要唤醒（LockSupport.unpack()）它的继任节点。
• CONDITION = -2：表明节点对应的线程因为不满足一个条件（Condition）而被阻塞。
• 0： 正常状态，新生的非CONDITION节点都是此状态。

非负值标识节点不需要被通知（唤醒）。

队列管理操作：

入队enqueue：

采用CAS操作，每次比较尾结点是否一致，然后插入的到尾结点中。

1 2 3

do{ pred = tail; }while( !compareAndSet(pred,tail,node) );

出队dequeue：

1 2	while(pred.status != RELEASED) ; head = node;

​​​​

加锁操作：

1 2 3 4 5

public final void acquire(intarg) { if(!tryAcquire(arg)) acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }

释放操作：

1 2 3 4 5 6 7 8 9

public final boolean release(intarg) { if(tryRelease(arg)) { Node h = head; if(h !=null && h.waitStatus !=0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; }

The synchronizer framework provides a ConditionObject class for use by synchronizers that maintain exclusivesynchronization and conform to the Lock interface. —— Doug Lea《 The java.util.concurrent Synchronizer Framework 》

以下是AQS队列和Condition队列的出入结点的示意图，可以通过这几张图看出线程结点在两个队列中的出入关系和条件。

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• 转自：http://www.goldendoc.org/2011/05/juc/
• 1. JUC概况
• 2. 原子操作
• 3. 指令重排
• 4. Happens-before法则：（Java 内存模型）
• JMM的特性：
• volatile语义：
• 5. CAS操作
• 6. Lock 锁
• 7. AQS
• AQS实现：
• Atomically managing synchronization state
• Blocking and unblocking threads
• Maintaining queues

1. JUC概况

以下是Java JUC包的主体结构：

​​​​

• Atomic : AtomicInteger
• Locks : Lock, Condition, ReadWriteLock
• Collections : Queue, ConcurrentMap
• Executer : Future, Callable, Executor
• Tools : CountDownLatch, CyclicBarrier, Semaphore

2. 原子操作

多个线程执行一个操作时，其中任何一个线程要么完全执行完此操作，要么没有执行此操作的任何步骤，那么这个操作就是原子的。出现原因: synchronized的代价比较高。

以下以AtomicInteger为例：

• int addAndGet(int delta)：以原子方式将给定值与当前值相加。 实际上就是等于线程安全版本的i =i+delta操作。
• boolean compareAndSet(int expect, int update)：如果当前值 == 预期值，则以原子方式将该值设置为给定的更新值。 如果成功就返回true，否则返回false，并且不修改原值。
• int decrementAndGet()：以原子方式将当前值减 1。 相当于线程安全版本的–i操作。
• int getAndAdd(int delta)：以原子方式将给定值与当前值相加。 相当于线程安全版本的t=i;i+=delta;return t;操作。
• int getAndDecrement()：以原子方式将当前值减 1。 相当于线程安全版本的i–操作。
• int getAndIncrement()：以原子方式将当前值加 1。 相当于线程安全版本的i++操作。
• int getAndSet(int newValue)：以原子方式设置为给定值，并返回旧值。 相当于线程安全版本的t=i;i=newValue;return t;操作。
• int incrementAndGet()：以原子方式将当前值加 1。 相当于线程安全版本的++i操作。

3. 指令重排

你的程序并不能总是保证符合CPU处理的特性。

要程序的最终结果等同于它在严格的顺序化环境下的结果，那么指令的执行顺序就可能与代码的顺序不一致。

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多核CPU，大压力下，两个线程交替执行，x，y输出结果不确定。可能结果：

1 2 3 4

x =0， y =1 x =1， y =1 x =1， y =0 x =0， y =0

4. Happens-before法则：（Java 内存模型）

如果动作B要看到动作A的执行结果（无论A/B是否在同一个线程里面执行），那么A/B就需要满足happens-before关系。

Happens-before的几个规则：

• Program order rule：同一个线程中的每个Action都happens-before于出现在其后的任何一个Action。
• Monitor lock rule：对一个监视器的解锁happens-before于每一个后续对同一个监视器的加锁。
• Volatile variable rule：对volatile字段的写入操作happens-before于每一个后续的同一个字段的读操作。
• Thread start rule：Thread.start()的调用会happens-before于启动线程里面的动作。
• Thread termination rule：Thread中的所有动作都happens-before于其他线程检查到此线程结束或者Thread.join（）中返回或者Thread.isAlive()==false。
• Interruption rule：一个线程A调用另一个另一个线程B的interrupt（）都happens-before于线程A发现B被A中断（B抛出异常或者A检测到B的isInterrupted（）或者interrupted()）。
• Finalizer rule：一个对象构造函数的结束happens-before与该对象的finalizer的开始
• Transitivity：如果A动作happens-before于B动作，而B动作happens-before与C动作，那么A动作happens-before于C动作。
  因为CPU是可以不按我们写代码的顺序执行内存的存取过程的，也就是指令会乱序或并行运行， 只有上面的happens-before所规定的情况下，才保证顺序性。

JMM的特性：

多个CPU之间的缓存也不保证实时同步；

JMM不保证创建过程的原子性，读写并发时，可能看到不完整的对象。（so D-check）

volatile语义：

volatile实现了类似synchronized的语义，却又没有锁机制。它确保对 volatile字段的更新以可预见的方式告知其他的线程。

1. Java 存储模型不会对volatile指令的操作进行重排序：这个保证对volatile变量的操作时按照指令的出现顺序执行的。
2. volatile变量不会被缓存在寄存器中（只有拥有线程可见），每次总是从主存中读取volatile变量的结果。

ps：volatile并不能保证线程安全的，也就是说volatile字段的操作不是原子性的，volatile变量只能保证可见性。

5. CAS操作

Compare and Swap

CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值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。

实现简单的非阻塞算法:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

privatevolatileintvalue;// 借助volatile原语，保证线程间的数据是可见的 publicfinalintget() { returnvalue; } publicfinalintincrementAndGet() { for(;;) { intcurrent = get(); intnext = current +1; if(compareAndSet(current, next)) returnnext; }//Spin自旋等待直到返为止置 }

整个J.U.C都是建立在CAS之上的，对于synchronized阻塞算法，J.U.C在性能上有了很大的提升。会出现所谓的“ABA”问题

6. Lock 锁

Synchronized属于独占锁，高并发时性能不高，JDK5以后开始用JNI实现更高效的锁操作。

Lock—->

ReentrantLock—->

ReentrantReadWriteLock.ReadLock / ReentrantReadWriteLock.writeLock

ReadWriteLock—-> ReentrantReadWriteLock

LockSupport

Condition

方法名称	作用
void lock()	获取锁。如果锁不可用，出于线程调度目的，将禁用当前线程，并且在获得锁之前，该线程将一直处于休眠状态。
void lockInterruptibly() throws InterruptedException;	如果当前线程未被中断，则获取锁。如果锁可用，则获取锁，并立即返回。
Condition newCondition();	返回绑定到此 Lock 实例的新 Condition 实例
boolean tryLock();	仅在调用时锁为空闲状态才获取该锁
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;	如果锁在给定的等待时间内空闲，并且当前线程未被中断，则获取锁
void unlock();	释放锁

PS : 一般来说，获取锁和释放锁是成对儿的操作，这样可以避免死锁和资源的浪费。

注：在 finally 里面做释放锁的操作

7. AQS

锁机制实现的核心所在。AbstractQueuedSynchronizer是Lock/Executor实现的前提。

​​​​

AQS实现：

基本的思想是表现为一个同步器，AQS支持下面两个操作：

acquire：

1 2 3 4 5

while(synchronization state does not allow acquire){ enqueue current threadifnot already queued; possibly block current thread; } dequeue current threadifit was queued;

release：

1 2 3

update synchronization state; if(state may permit a blocked thread to acquire) unlock one or more queued threads;

要支持这两个操作，需要实现的三个条件：

• Atomically managing synchronization state（原子性操作同步器的状态位）
• Blocking and unblocking threads（阻塞和唤醒线程）
• Maintaining queues（维护一个有序的队列）

Atomically managing synchronization state

使用一个32位整数来描述状态位：private volatile int state; 对其进行CAS操作，确保值的正确性。

Blocking and unblocking threads

JDK 5.0以后利用JNI在LockSupport类中实现了线程的阻塞和唤醒。

LockSupport.park() //在当前线程中调用，导致线程阻塞

LockSupport.park(Object)

LockSupport.unpark(Thread)

Maintaining queues

在AQS中采用CHL列表来解决有序的队列的问题。（CHL= Craig, Landin, and Hagersten）

​​​​

Node里面是什么结构？

​​​​

WaitStatus –>节点的等待状态，一个节点可能位于以下几种状态：

• CANCELLED = 1： 节点操作因为超时或者对应的线程被interrupt。节点不应该不留在此状态，一旦达到此状态将从CHL队列中踢出。
• SIGNAL = -1： 节点的继任节点是（或者将要成为）BLOCKED状态（例如通过LockSupport.park()操作），因此一个节点一旦被释放（解锁）或者取消就需要唤醒（LockSupport.unpack()）它的继任节点。
• CONDITION = -2：表明节点对应的线程因为不满足一个条件（Condition）而被阻塞。
• 0： 正常状态，新生的非CONDITION节点都是此状态。

非负值标识节点不需要被通知（唤醒）。

队列管理操作：

入队enqueue：

采用CAS操作，每次比较尾结点是否一致，然后插入的到尾结点中。

1 2 3

do{ pred = tail; }while( !compareAndSet(pred,tail,node) );

出队dequeue：

1 2	while(pred.status != RELEASED) ; head = node;

​​​​

加锁操作：

1 2 3 4 5

public final void acquire(intarg) { if(!tryAcquire(arg)) acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)) selfInterrupt(); }

释放操作：

1 2 3 4 5 6 7 8 9

public final boolean release(intarg) { if(tryRelease(arg)) { Node h = head; if(h !=null && h.waitStatus !=0) unparkSuccessor(h); return true; } return false; }

The synchronizer framework provides a ConditionObject class for use by synchronizers that maintain exclusivesynchronization and conform to the Lock interface. —— Doug Lea《 The java.util.concurrent Synchronizer Framework 》

以下是AQS队列和Condition队列的出入结点的示意图，可以通过这几张图看出线程结点在两个队列中的出入关系和条件。