【JUC基础】JUC入门基础（二）

异步回调

Future 设计的初衷： 对将来的某个事件的结果进行建模

• 没有返回值的 runAsync 异步回调

import java.util.concurrent.*;/*** 异步调用： CompletableFuture*  异步执行*  成功回调*  失败回调*/
public class test {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {//发起一个请求 void// 没有返回值的 runAsync 异步回调CompletableFuture<Void> completableFuture = CompletableFuture.runAsync(() -> {try {TimeUnit.SECONDS.sleep(2);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "runAsync=>void");});System.out.println("11111111");completableFuture.get();//获取执行结果}
}

• 有返回值的异步回调 supplyAsync

import java.util.concurrent.*;/*** 异步调用： CompletableFuture*  异步执行*  成功回调*  失败回调*/
public class test {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {// completableFuture.get(); // 获取阻塞执行结果// 有返回值的 supplyAsync 异步回调// ajax，成功和失败的回调// 失败返回的是错误信息；CompletableFuture<Integer> completableFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "supplyAsync=>Integer");//int i = 10 / 0;return 1024;});//whenComplete: 参数BiConsumer<T, U>// 有两个参数，一个是T 一个是U，T：是代表的 正常返回的结果；U：是代表的 抛出异常的错误信息；System.out.println(completableFuture.whenComplete((t, u) -> {System.out.println("t=>" + t);// 正常的返回结果System.out.println("u=>" + u);// 错误信息：}).exceptionally((e) -> {System.out.println(e.getMessage());return 233;// 可以获取到错误的返回结果}).get());//如果发生了异常，get可以获取到exceptionally返回的值；}
}

JMM 理解

对 volatile 的理解

1、保证可见性

import java.util.concurrent.*;public class test {// 如果不加volatile 程序会死循环// 加了volatile是可以保证可见性的private volatile static Integer number = 0;//main线程public static void main(String[] args) {//子线程1new Thread(()->{while (number==0){}}).start();try {TimeUnit.SECONDS.sleep(2);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}//子线程2new Thread(()->{while (number==0){}}).start();try {TimeUnit.SECONDS.sleep(2);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}number=1;System.out.println(number);}
}

2、不保证原子性

public class test {private static volatile int number = 0;public static void add() {number++;//++ 不是一个原子性操作，是 2~3 个操作}public static void main(String[] args) {//理论上number  == 20000for (int i = 1; i <= 20; i++) {new Thread(() -> {for (int j = 1; j <= 1000; j++) {add();}}).start();}//main  gcwhile (Thread.activeCount() > 2) {Thread.yield(); //yield让出计算资源并重新竞争资源}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",num=" + number);//每次都不一样}
}

javap -c test.class反编译字节码文件：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class test {// 这些类的底层都直接和操作系统挂钩，是在内存中修改值。private static volatile AtomicInteger number = new AtomicInteger();public static void add(){//number++;number.incrementAndGet();  //底层是 CAS 保证的原子性}public static void main(String[] args) {//理论上number=20000for (int i = 1; i <= 20; i++) {new Thread(()->{for (int j = 1; j <= 1000 ; j++) {add();}}).start();}//main  gcwhile (Thread.activeCount()>2){Thread.yield();}System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",num="+number);}
}

3、禁止指令重排

源代码 –> 编译器优化重排 –> 指令并行也可能会重排 –> 内存系统也会重排 –> 执行

int x=1; //1
int y=2; //2
x=x+5;   //3
y=x*x;   //4//期望的执行顺序是 1_2_3_4  可能执行的顺序会变成2134 1324

volatile 可以避免指令重排：volatile 中会加一道内存的屏障，这个内存屏障可以保证在这个屏障中的指令顺序。

对 JMM 的理解

JMM：Java内存模型，不存在的东西，是一个概念，也是一个约定。

关于 JMM 的一些同步的约定：

• 1、线程解锁前，必须把共享变量立刻刷回主存
• 2、线程加锁前，必须读取主存中的最新值到工作内存中
• 3、加锁和解锁是同一把锁

线程中分为工作内存、主内存。
8种操作：（读read，加载load）（使用use，赋值assign）（写write，存储store）（加锁lock，解锁unlock）

内存交互操作有8种，虚拟机实现必须保证每一个操作都是原子的，不可在分的（对于 double 和 long 类型的变量来说，load、store、read 和 write 操作在某些平台上允许例外）

• read（读取）：作用于主内存变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用；
• load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主存中变量放入工作内存中；
• use（使用）：作用于工作内存中的变量，它把工作内存中的变量传输给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值，就会使用到这个指令；
• assign（赋值）：作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中；
• store（存储）：作用于主内存中的变量，它把一个从工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便后续的write使用；
• write（写入）：作用于主内存中的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中；
• lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为线程独占状态；
• unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定；

JMM对这八种指令的使用，制定了如下规则：

• 不允许 read 和 load、store 和 write 操作之一单独出现，必须成对使用。即使用了 read 必须 load，使用了store 必须 write
• 不允许线程丢弃他最近的 assign 操作，即工作变量的数据改变了之后，必须告知主存
• 不允许一个线程将没有 assign 的数据从工作内存同步回主内存
  一个新的变量必须在主内存中诞生，不允许工作内存直接使用一个未被初始化的变量。就是怼变量实施 use、store操作之前，必须经过 assign 和 load 操作
• 一个变量同一时间只有一个线程能对其进行 lock。多次 lock 后，必须执行相同次数的 unlock 才能解锁
• 如果对一个变量进行 lock 操作，会清空所有工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，必须重新 load 或 assign 操作初始化变量的值
• 如果一个变量没有被 lock，就不能对其进行 unlock 操作。也不能unlock一个被其他线程锁住的变量对一个变量进行 unlock 操作之前，必须把此变量同步回主内存

详解单例模式

饿汉式

//饿汉式单例
public class Hungry {//一上来就实例化，可能会浪费空间private byte[] data1 =new byte[1024*1024];private byte[] data2 =new byte[1024*1024];private byte[] data3 =new byte[1024*1024];private byte[] data4 =new byte[1024*1024];//私有化构造器private Hungry() {}private final static Hungry HUNGRY = new Hungry();public Hungry getInstance() {return HUNGRY;}
}

懒汉式

// 懒汉式单例
public class LazyMan {//构造器私有化private LazyMan() {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"OK");}private static LazyMan lazyMan;public static LazyMan getInstance() {if (lazyMan == null) {lazyMan = new LazyMan();}return lazyMan;}//多线程并，会有隐患！public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < 10; i++) {new Thread(()->{lazyMan.getInstance();}).start();}}
}

DCL懒汉式：双重检测锁模式的懒汉式单例

// 懒汉式 DCL单例
public class LazyMan {// 构造器私有化private LazyMan() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "OK");}// 加volatile，防止指令重排private volatile static LazyMan lazyMan;// 双重检测锁模式的 懒汉式单例 DCL懒汉式public static LazyMan getInstance() {// 第一次检查if (lazyMan == null) {synchronized (LazyMan.class) {// 第二次检查if (lazyMan == null) {lazyMan = new LazyMan();/*** 1. 分配内存空间* 2、执行构造方法，初始化对象* 3、把这个对象指向这个空间* 执行顺序123,132都有可能* A：123  B：132* B把这个对象指向这个空间，发现不为空执行return* 但是此时在线程A中，lazyMan还没有完成构造，lazyMan要加volatile，防止指令重排*/}}}return lazyMan;}//多线程并发public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < 10; i++) {new Thread(() -> {lazyMan.getInstance();}).start();}}
}

静态内部类实现单例

public class Singleton {private static class SingletonHolder {private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();}private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {return SingletonHolder.INSTANCE;}
}

通过反射破坏单例，修改后的DCL饿汉式

// 懒汉式单例
public class LazyMan {private volatile static LazyMan lazyMan;//私有化构造器private LazyMan() {synchronized (LazyMan.class) {if (lazyMan != null) {throw new RuntimeException("不要试图使用反射破坏异常");}}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "OK");}// 双重检测锁模式的 懒汉式单例 DCL懒汉式public static LazyMan getInstance() {if (lazyMan == null) {synchronized (LazyMan.class) {if (lazyMan == null) {lazyMan = new LazyMan();// 不是一个原子性操作}}}return lazyMan;}//多线程并发public static void main(String[] args) throws Exception {LazyMan instance = LazyMan.getInstance();Constructor<LazyMan> declaredConstructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);declaredConstructor.setAccessible(true);//无视私有LazyMan instance2 = declaredConstructor.newInstance();System.out.println(instance);System.out.println(instance2);}
}
//可以继续破坏

枚举实现单例防止反射破坏

import java.lang.reflect.Constructor;// enum 本身也是一个 Class 类
public enum EnumSingle {INSTANCE;public  EnumSingle getInstance(){return INSTANCE;}
}class Test{public static void main(String[] args) throws Exception {EnumSingle instance1 = EnumSingle.INSTANCE;//java.lang.NoSuchMethodException: com.zzy.single.EnumSingle.<init>() 没有空参构造方法//Constructor<EnumSingle> declaredConstructor = EnumSingle.class.getDeclaredConstructor(null);//反编译中，只有有参构造方法 EnumSingle(String s, int i) //java.lang.IllegalArgumentException: Cannot reflectively create enum objectsConstructor<EnumSingle> declaredConstructor = EnumSingle.class.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);declaredConstructor.setAccessible(true);EnumSingle instance2 = declaredConstructor.newInstance();System.out.println(instance1);System.out.println(instance2);}
}

理解 CAS（compareAndSwap）

CAS : compareAndSet 比较并交换

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class test {//CAS : compareAndSet 比较并交换public static void main(String[] args) {AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(2020);//boolean compareAndSet(int expect, int update)//期望值、更新值//如果实际值 和 期望值相同，那么就更新//如果实际值 和 期望值不同，那么就不更新System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2020, 2021));System.out.println(atomicInteger.get());//因为期望值是2020  实际值却变成了2021  所以会修改失败//CAS 是CPU的并发原语atomicInteger.getAndIncrement(); //++操作System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2020, 2021));System.out.println(atomicInteger.get());}
}

CAS : compareAndSet 比较并交换源码：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;// Java无法操作内存，C++可以，Java通过native方法调用C++// Java通过Unsafe类操作内存 private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();private static final long valueOffset;static {try {// 获取内存地址的偏移值valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }}private volatile int value;...public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);}public final int getAndIncrement() {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);}

// 内存操作，效率很高
// 自旋锁
// Unsafe类 unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1)
// var1 = this; var2 = valueOffset; var4 = 1public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {int var5;do {// 获取内存地址valueOffset中的值 var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));// while中：如果当前对象var1中的内存地址偏移值var2，这个值如果还等于var5，那么这个值等于var5+var4return var5;}

CAS 出现的 ABA 问题

CAS：比较当前工作内存中的值和主内存中的值，如果这个值是期望的，那么则执行操作，如果不是就一直循环，使用的是自旋锁。

缺点：

• 循环会耗时
• 一次性只能保证一个共享变量的原子性
• 存在ABA问题

理解 ABA 问题

狸猫换太子：

• 线程1：期望值是1，要变成2；
• 线程2：两个操作：
  1、期望值是1，变成3
  2、期望是3，变成1

所以对于线程1来说，A的值还是1，所以就出现了问题，骗过了线程1

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class test {// CAS compareAndSet : 比较并交换public static void main(String[] args) {AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(2020);//public final boolean compareAndSet(int expect, int update)// 如果我期望的值达到了，那么就更新，否则，就不更新, CAS 是CPU的并发原语！// ============== 捣乱的线程 ==================System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2020, 2021));System.out.println(atomicInteger.get());System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2021, 2020));System.out.println(atomicInteger.get());// ============== 期望的线程 ==================System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2020, 77777));System.out.println(atomicInteger.get());}
}

解决 ABA 问题（带版本号的原子操作、乐观锁思想）

解决 ABA 问题：引入原子引用，对应的思想：乐观锁。

思想：带版本号的原子操作

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;public class test {//AtomicStampedReference 注意，如果泛型是一个包装类，注意对象的引用问题，正常在业务操作，这里面比较的都是一个个对象static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = newAtomicStampedReference<>(1, 1);// CAS compareAndSet : 比较并交换public static void main(String[] args) {new Thread(() -> {// 获得版本号int stamp = atomicStampedReference.getStamp();System.out.println("a1版本号=>" + stamp);try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}// 修改操作时，版本号更新 + 1atomicStampedReference.compareAndSet(1, 2,atomicStampedReference.getStamp(),atomicStampedReference.getStamp() + 1);System.out.println("a2版本号=>" + atomicStampedReference.getStamp());// 重新把值改回去， 版本号更新 + 1System.out.println(atomicStampedReference.compareAndSet(2, 1,atomicStampedReference.getStamp(),atomicStampedReference.getStamp() + 1));System.out.println("a3版本号=>" + atomicStampedReference.getStamp());}, "a").start();// 乐观锁的原理相同！new Thread(() -> {// 获得版本号int stamp = atomicStampedReference.getStamp();System.out.println("b1=>" + stamp);try {TimeUnit.SECONDS.sleep(2);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(atomicStampedReference.compareAndSet(1, 3,stamp, stamp + 1));System.out.println("b2=>" + atomicStampedReference.getStamp());}, "b").start();}
}

公平锁，非公平锁

• 公平锁： 非常公平， 不能够插队，必须先来后到
• 非公平锁：非常不公平，可以插队 （默认都是非公平）

// ReentrantLock 源码
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {...public ReentrantLock() {sync = new NonfairSync();}public ReentrantLock(boolean fair) {sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();}...
}

可重入锁（递归锁）

拿到外面的锁之后，就可以自动获得拿到里面的锁

//Synchronized
public class test {public static void main(String[] args) {Phone phone = new Phone();new Thread(() -> {phone.sms();}, "A").start();new Thread(() -> {phone.sms();}, "B").start();}
}class Phone {//外面一把锁public synchronized void sms() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：sms");//里面一把锁call();}public synchronized void call() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：call");}
}
//一定是
/*
A：sms
A：call
B：sms
B：call
*/

Lock 锁必须配对，相当于 lock 和 unlock 必须数量相同，在外面加的锁，也可以在里面解锁；在里面加的锁，在外面也可以解锁

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;//Lock
public class test {public static void main(String[] args) {Phone2 phone = new Phone2();new Thread(() -> {phone.sms();}, "A").start();new Thread(() -> {phone.sms();}, "B").start();}
}class Phone2 {Lock lock = new ReentrantLock();public void sms() {lock.lock();try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：sms");//里面还有锁call();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}public void call() {lock.lock();try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：call");} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}
}

自旋锁

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;//自旋锁
public class SpinlockDemo {//初始： int -> 0; 引用类型 Thread -> nullAtomicReference<Thread> atomicReference = new AtomicReference<>();// 加锁public void myLock() {Thread thread = Thread.currentThread();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "==> myLock");//自旋锁while (!atomicReference.compareAndSet(null, thread)) {}}// 解锁public void myUnlock() {Thread thread = Thread.currentThread();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "==> myUnlock");//自旋锁atomicReference.compareAndSet(thread, null);}
}

import java.util.concurrent.TimeUnit;public class TestSpinLock {public static void main(String[] args) {//ReentrantLock
/*        ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();reentrantLock.lock();reentrantLock.unlock();*/// 底层使用的自旋锁 CASSpinlockDemo lock = new SpinlockDemo();new Thread(()->{lock.myLock();try {TimeUnit.SECONDS.sleep(3);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.myUnlock();}},"T1").start();new Thread(()->{lock.myLock();try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.myUnlock();}},"T2").start();}
}
/*
T1==> myLock
T2==> myLock //必须等T1解锁，自旋
T1==> myUnlock
T2==> myUnlock
*/

排除死锁

A、B各持有锁，试图获取对方的锁，例如：

import java.util.concurrent.TimeUnit;public class test {public static void main(String[] args) {String lockA = "lockA";String lockB = "lockB";new Thread(new MyThread(lockA, lockB), "T1").start();new Thread(new MyThread(lockB, lockA), "T2").start();}
}class MyThread implements Runnable {private String lockA;private String lockB;public MyThread(String lockA, String lockB) {this.lockA = lockA;this.lockB = lockB;}@Overridepublic void run() {synchronized (lockA) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "lock: " + lockA + "=> get: " + lockB);try {TimeUnit.SECONDS.sleep(2);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}synchronized (lockB) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "lock: " + lockB + "=>get: " + lockA);}}}
}

使用 jstack 进程号，找到死锁问题，进程号由 jps -l 得到

...
"T2":at JUC_learn.MyThread.run(test.java:36)- waiting to lock <0x053bedc8> (a java.lang.String)- locked <0x053bedf0> (a java.lang.String)at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
"T1":at JUC_learn.MyThread.run(test.java:36)- waiting to lock <0x053bedf0> (a java.lang.String)- locked <0x053bedc8> (a java.lang.String)at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)Found 1 deadlock.