（三）Java多线程 —— 并发编程与线程安全

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2023-02-18 15:22 9阅读 0赞

# 并发编程与线程安全 #

## 一、并发模拟 ##

1.  Postman：Http请求模拟，并发模拟
2.  Apache Bench（AB）:Apache附带的工具，测试网址性能
3.  JMeter：Apache组织开发的压力测试工具
4.  代码：Semaphore（信号量）、CountDownLatch（计数器）

## 二、线程安全性 ##

**定义**：当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用【何种调度方式】或者这些进程将如何交替执行，并且在主调代码中【不需要任何额外的同步或协同】，这个类都能表现出【正确的行为】，那么就称这个类是线程安全的。

1.  原子性：提供了互斥访问，统一时刻只能有一个线程来对它进行操作。
2.  可见性：一个线程对主内存的修改可以及时的被其他线程观察到。
3.  有序性：一个线程观察其他线程中的指令执行顺序，由于指令重排序的存在，该观察结果一般杂乱无序。

### 1）原子性 - Atomic包：（java.util.concurrent.atomic.XXX） ###

AtomicInteger 、AtomicLong 、LongAdder

如：计数AtomicInteger（它的实现原理是，Unsafe.compareAndSwapInt实现类先获取了底层（主内存）的值，来跟传进去（运行内存）的值进行了比较，  
如果不相等则取内存的值）

#### 例子：并发200个线程 ，去请求5000次的加1操作。 ####

#### 1.1 AtomicInteger ####

**备注：@ThreadSafe 自定义注解表示是线程安全的意思，便于识别！**

import com.mmall.concurrency.annoations.ThreadSafe;
    import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
    
    import java.util.concurrent.CountDownLatch;
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    import java.util.concurrent.Semaphore;
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
    
    @Slf4j
    @ThreadSafe
    public class AtomicExample1 { 
    
        // 请求总数
        public static int clientTotal = 5000;
    
        // 同时并发执行的线程数
        public static int threadTotal = 200;
    
        public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    
        public static void main(String[] args) throws Exception { 
            ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
            final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
            final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
            for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) { 
                executorService.execute(() -> { 
                    try { 
                        semaphore.acquire();
                        add();
                        semaphore.release();
                    } catch (Exception e) { 
                        log.error("exception", e);
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                });
            }
            countDownLatch.await();
            executorService.shutdown();
            log.info("count:{}", count.get());
        }
    
        private static void add() { 
            count.incrementAndGet();
            // count.getAndIncrement();
        }
    }

多次计算的结果都是正确的：说明是线程安全的  
结果打印：

16:43:38.728 [main] INFO  - count:5000
    
    Process finished with exit code 0

#### 1.2 AtomicLong ，LongAdder ####

AtomicLong ，LongAdder  
long相关原子计算类对比：LongAdder 优化了高并发性能。AtomicLong 在低并发有速度和准确优势。

public static AtomicLong count = new AtomicLong(0);
    count.incrementAndGet();
    
    public static LongAdder count = new LongAdder();
    count.increment();

#### 1.3）AtomicReference、AtomicIntegerFieldUpdater ####

AtomicReference：

count.compareAndSet(a,b); 该方法作用：**对比一致的话则设值。**

import com.mmall.concurrency.annoations.ThreadSafe;
    import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference; 
    
    @Slf4j
    @ThreadSafe
    public class AtomicExample4 { 
    
        private static AtomicReference<Integer> count = new AtomicReference<>(0);
    
        public static void main(String[] args) { 
            count.compareAndSet(0, 2); // 2
            count.compareAndSet(0, 1); // no
            count.compareAndSet(1, 3); // no
            count.compareAndSet(2, 4); // 4
            count.compareAndSet(3, 5); // no
            log.info("count:{}", count.get());
        }
    }

AtomicIntegerFieldUpdater：  
//原子性去更新某个类中的一个实例中的一个字段。必须用volatile 修饰且非静态的字段。

import com.mmall.concurrency.annoations.ThreadSafe;
    import lombok.Getter;
    import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
    
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
    
    @Slf4j
    @ThreadSafe
    public class AtomicExample5 { 
    
        private static AtomicIntegerFieldUpdater<AtomicExample5> updater =
                AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(AtomicExample5.class, "count");
    
        @Getter
        public volatile int count = 100;
    
        public static void main(String[] args) { 
    
            AtomicExample5 example5 = new AtomicExample5();
    
            if (updater.compareAndSet(example5, 100, 120)) { 
                log.info("update success 1, {}", example5.getCount());
            }
    
            if (updater.compareAndSet(example5, 100, 120)) { 
                log.info("update success 2, {}", example5.getCount());
            } else { 
                log.info("update failed, {}", example5.getCount());
            }
        }
    }

#### 1.4）AtomicStampedReference ####

AtomicStampedReference: CAS,ABA，每当被修改一次增加一个版本，从而解决原子性问题。

#### 1.5）AtomicBoolean ####

AtomicBoolean：常用于让某个代码只执行一次。  
isHappened.compareAndSet(false, true); //如果是false则改成true.(以下只执行了一次)

import com.mmall.concurrency.annoations.ThreadSafe;
    import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
    
    import java.util.concurrent.CountDownLatch;
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    import java.util.concurrent.Semaphore;
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;
    
    @Slf4j
    @ThreadSafe
    public class AtomicExample6 { 
    
        private static AtomicBoolean isHappened = new AtomicBoolean(false);
    
        // 请求总数
        public static int clientTotal = 5000;
    
        // 同时并发执行的线程数
        public static int threadTotal = 200;
    
        public static void main(String[] args) throws Exception { 
            ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
            final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
            final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
            for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) { 
                executorService.execute(() -> { 
                    try { 
                        semaphore.acquire();
                        test();
                        semaphore.release();
                    } catch (Exception e) { 
                        log.error("exception", e);
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                });
            }
            countDownLatch.await();
            executorService.shutdown();
            log.info("isHappened:{}", isHappened.get());
        }
    
        private static void test() { 
            if (isHappened.compareAndSet(false, true)) { 
                log.info("execute");
            }
        }
    }

#### 1.6 原子性 - 锁 ####

1.  synchronized：依赖JVM  
    修饰代码块：大括号括起来的代码，作用于【调用的对象】  
    修饰方法：整个方法，作用于【调用的对象】  
    修饰静态方法：整个静态方法，作用于【所有对象】  
    修饰类：括号括起来的部分，作用于【所有对象】

**测试synchronized修饰代码块、方法：**

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
    
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    
    @Slf4j
    public class SynchronizedExample1 { 
    
        // 修饰一个代码块
        public void test1(int j) { 
            synchronized (this) { 
                for (int i = 0; i < 10; i++) { 
                    log.info("test1 {} - {}", j, i);
                }
            }
        }
    
        // 修饰一个方法
        public synchronized void test2(int j) { 
            for (int i = 0; i < 10; i++) { 
                log.info("test2 {} - {}", j, i);
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) { 
            SynchronizedExample1 example1 = new SynchronizedExample1();
            SynchronizedExample1 example2 = new SynchronizedExample1();
            ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
            executorService.execute(() -> { 
                example1.test2(1);
            });
            executorService.execute(() -> { 
                example2.test2(2);
            });
        }
    }

**执行结果：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZhbmdjaGFvMjAxMQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
**测试synchronized修饰类、静态方法：**

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
    
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    
    @Slf4j
    public class SynchronizedExample2 { 
    
        // 修饰一个类
        public static void test1(int j) { 
            synchronized (SynchronizedExample2.class) { 
                for (int i = 0; i < 10; i++) { 
                    log.info("test1 {} - {}", j, i);
                }
            }
        }
    
        // 修饰一个静态方法
        public static synchronized void test2(int j) { 
            for (int i = 0; i < 10; i++) { 
                log.info("test2 {} - {}", j, i);
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) { 
            SynchronizedExample2 example1 = new SynchronizedExample2();
            SynchronizedExample2 example2 = new SynchronizedExample2();
            ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
            executorService.execute(() -> { 
                example1.test1(1);
            });
            executorService.execute(() -> { 
                example2.test1(2);
            });
        }
    }

**执行结果：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZhbmdjaGFvMjAxMQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

1.  Lock：依赖特殊的CPU指定、代码实现、ReentrantLock

**原子性 - 对比：**

synchronized：不可中断锁，适合竞争不激烈，可读性好  
Lock：可中断锁，多样化同步，竞争激烈时能维持常态  
Atomic：竞争激烈时能维持常态，比Lock性能好，只能同步一个值

### 2）可见性 ###

导致共享变量在线程间不可见的原因：

1.  线程交叉执行
2.  重排序结合线程交叉执行
3.  共享变量更新后的值没有在工作内容与主存间及时更新

#### 2.1 可见性- synchronized ####

JMM关于synchronized的两条规定：

1.  线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主存
2.  线程加锁时，将清空工作内存中共享变量的值，从而使用共享变量时需要从主存中重新读取最新的值（注意，加锁与解锁是同一把锁）

#### 2.2 可见性- volatile ####

通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现

1.  对volatile变量写操作时，会在写操作后加入一条store屏障指令，将本地内存中的共享变量值刷新到主内存
2.  对volatile变量读操作时，会在读操作前加入一条load屏障指令，从主内存中读取共享变量值

#### 2.2 可见性- volatile使用 ####

满足2个条件：

1.  对变量的写操作不依赖当前值
2.  该变量没有包含在具有其他变量的不变式子中  
    不适合计数场景，适合状态值标记,检查2次。

例如：

volatile boolean inited = false;
    
    //线程1
    context = loadContext();
    inited = true;
    
    //线程2
    while(!inited){ 
     sleep();
    }
    doSomethingWithConfig(context);

### 3）有序性 ###

*  Java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。
 *  volatile、synchronized、Lock

#### 3.1 有序性 - happends-before 原则 ####

1.  程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。
2.  锁定规则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作
3.  volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。
4.  传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C
5.  线程启动原则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个操作。
6.  线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
7.  线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止规则，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
8.  对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始。

## 线程安全性 - 总结 ##

*  原子性：Atomic包、CAS算法、synchronized、Lock
 *  可见性：synchronized、volatile
 *  有序性：happends-before

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