1. 并發(fā)競(jìng)爭(zhēng)概述

竟態(tài)條件：多線程在臨界區(qū)執(zhí)行，由于代碼執(zhí)行序列不可預(yù)知而導(dǎo)致無(wú)法預(yù)測(cè)結(jié)果
解決方式：
（1）阻塞式：sync, Lock(ReentrantLock)
（2）非阻塞式：Cas方式（自旋式）

2. Synchronized

2.1 使用方法

（1）實(shí)例方法加鎖：鎖住實(shí)例對(duì)象

public class MyClass {
    private int count;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }
}

在實(shí)例化對(duì)象上進(jìn)行鎖的判斷
（2）靜態(tài)方法加鎖：鎖住類(lèi)對(duì)象

public class MyClass {
    private static int count;

    public static synchronized void increment() {
        count++;
    }
}

在靜態(tài)類(lèi)MyClass上進(jìn)行鎖的判斷
（3）加鎖在代碼塊上：

public class MyClass {
    private int count;
    private final Object lock = new Object();
    public void increment() {
        synchronized (lock) {
            count++;
        }
    }
    public int getCount() {
        synchronized (lock) {
            return count;
        }
    }
}

我們創(chuàng)建了一個(gè)名為 lock 的對(duì)象，并在每個(gè)方法中使用 synchronized 關(guān)鍵字來(lái)獲取這個(gè)對(duì)象的鎖。當(dāng)一個(gè)線程進(jìn)入 synchronized 代碼塊時(shí)，它會(huì)獲取 lock 對(duì)象的鎖，然后執(zhí)行代碼塊中的代碼。其他線程如果想要進(jìn)入這個(gè)代碼塊，必須等待當(dāng)前線程釋放鎖之后才能獲取鎖并執(zhí)行代碼塊中的代碼。

2.2 synchronized鎖競(jìng)爭(zhēng)

sync工作流程.png

2.3 synchronized加鎖原理

（1）早期實(shí)現(xiàn)：sync為JVM內(nèi)置鎖，(JVM層面)基于Monitor(監(jiān)視器)機(jī)制實(shí)現(xiàn)，(Linux層面)依賴底層操作系統(tǒng)的Mutux(互斥量)實(shí)現(xiàn)，由于進(jìn)行了內(nèi)核態(tài)及用戶態(tài)的切換，性能較低
（2）優(yōu)化后：通過(guò)鎖升級(jí)實(shí)現(xiàn)加鎖過(guò)程：偏向鎖，自旋鎖，輕量級(jí)，重量級(jí)
（3）monitor（監(jiān)視器）原理：
同步方法由Au_SYNCHRONIZED標(biāo)志實(shí)現(xiàn)， 同步代碼塊由monitorenter與monitorexit實(shí)現(xiàn)；
是管理共享變量以及對(duì)共享變量操作的過(guò)程，讓它們支持并發(fā)；
synchronized中wait(), notify(), notifyAll()等方法有monitor實(shí)現(xiàn)；
補(bǔ)充：
java線程等待方法：sleep, wait, join, unpark

注：sleep() 方法和 wait() 方法可以在任何地方調(diào)用，而 join() 方法和 LockSupport.park() 方法必須在線程內(nèi)部調(diào)用。sleep() 方法和 wait() 方法可以讓線程等待一段時(shí)間后繼續(xù)執(zhí)行，而 join() 方法和 LockSupport.park() 方法可以讓線程等待其他線程的執(zhí)行或喚醒。

（4）sync加鎖解鎖流程圖：

（5）對(duì)象內(nèi)存布局

對(duì)象內(nèi)存布局.png

2.4 synchronized鎖升級(jí)

2.4.1 偏向鎖：

（1）流程：程序啟動(dòng)時(shí)，將對(duì)象的標(biāo)記設(shè)置為偏向鎖，表示該對(duì)象目前沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)，可以被當(dāng)前線程獨(dú)占；
當(dāng)其他線程訪問(wèn)該對(duì)象時(shí)，會(huì)檢查該對(duì)象的標(biāo)記，如果是偏向鎖，則會(huì)判斷當(dāng)前線程是否是偏向鎖的擁有者，如果是，則直接獲取鎖，否則會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖或重量級(jí)鎖；
優(yōu)點(diǎn)：減少鎖競(jìng)爭(zhēng)
（2）撤銷(xiāo)條件：
obj.wait() 偏向鎖撤銷(xiāo)，升級(jí)為重量級(jí)鎖
notify(), notifyAll() 升級(jí)為輕量級(jí)鎖

2.4.2 鎖升級(jí)過(guò)程：

（1）在偏向鎖的基礎(chǔ)上，有線程P2加入競(jìng)爭(zhēng)，會(huì)檢查該對(duì)象的標(biāo)記，如果當(dāng)前線程不是偏向鎖的擁有者，則會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖，輕量級(jí)鎖（又稱(chēng)自旋鎖）的功能是讓P2線程不斷自旋（while + cas）
注：若線程P1此時(shí)sleep，無(wú)競(jìng)爭(zhēng)，則仍為偏向鎖
（2）線程自旋達(dá)到一定次數(shù)失敗，進(jìn)行線程阻塞（切換到內(nèi)核態(tài)），此時(shí)為重量級(jí)鎖；
重量級(jí)鎖是一種基于操作系統(tǒng)的鎖，它的作用是在獲取鎖時(shí)，將當(dāng)前線程掛起，等待鎖的擁有者釋放鎖。重量級(jí)鎖的效率比較低，因?yàn)樗枰M(jìn)行線程的上下文切換和內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之間的切換。

3. ReentrantLock原理

3.1 操作系統(tǒng)中的并發(fā)處理--管程

管程概念.png

3.2 JVM層面對(duì)管程的實(shí)現(xiàn)

synchronized:
objectMonitor & cxq(cas owner)-> 等效于同步等待隊(duì)列
waitset -> 等效于條件等待隊(duì)列

3.3 java中管程實(shí)現(xiàn)

（1）抽象層面：
同步等待隊(duì)列實(shí)現(xiàn)：CAS機(jī)制， volatile int state，等待隊(duì)列
條件等待隊(duì)列實(shí)現(xiàn)：conditional await, signal(), signalAll(), 出隊(duì)入隊(duì)條件
（2）工具層面：
抽象隊(duì)列同步器AQS

3.4 AQS原理

java.util.concurrent包中年基礎(chǔ)能力組件，常用于實(shí)現(xiàn)依賴狀態(tài)同步器

3.4.1 特性

（1）阻塞等待隊(duì)列：由條件隊(duì)列，同步隊(duì)列共同實(shí)現(xiàn)
（2）共享/獨(dú)占鎖：共享鎖：semaphore（信號(hào)量）， CountDownLatch
獨(dú)占鎖：ReentrantLock
（3）公平/非公平鎖
（4）是否可重入：state表示狀態(tài)
（5）是否允許中斷：設(shè)置中斷標(biāo)志位

3.4.2 兩種等待隊(duì)列

（1）同步等待隊(duì)列：維護(hù)獲取資源（鎖）失敗后的線程
（2）條件等待隊(duì)列：
調(diào)用await()時(shí)釋放鎖，線程加入條件隊(duì)列
signal()時(shí)喚醒條件隊(duì)列中的線程，加入同步等待隊(duì)列中，等待獲取

等待隊(duì)列.png

3.4.3 ReentrantLock應(yīng)用

解決庫(kù)存超賣(mài)問(wèn)題

public string reduceStock() {
  int stock = Integer.parseInt(StringRedisTemplate.OPsForValue().get("stock"));
  if (stock > 0) {
    stock--;
    StringRedisTemplate.opsForValue().set("stock", stock);
  }
  return "end";
}

在多線程下會(huì)造成stock超賣(mài)

3.4.4 小總結(jié)

解決并發(fā)問(wèn)題
（1）非阻塞式：cas + 自旋鎖
（2）阻塞式：synchronized, ReentrantLock
公平鎖/非公平鎖區(qū)別：
（1）非公平鎖效率更高（對(duì)CPU的使用效率高）；不用經(jīng)歷從等待隊(duì)列喚醒線程的步驟，有新的任務(wù)嘗試獲取鎖資源即可成功
（2）公平鎖保證線程不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間陷于饑餓狀態(tài)

3.4.5 條件隊(duì)列的使用場(chǎng)景

boolean volatile hashcig;
public static Conditional cond = lock.newCondition();
public static cigratte() {
  lock.lock();
  try {
    while (!hashcig) {
      try {
        log("no cigurate, wait");
        cond.await();
      } catch(Exception e) e.print();
    } 
   log("begin work);
  finally {
      lock.unlock();
    }
  }
}

喚醒邏輯
new Thread(() -> {
  lock.lock();
  try {
    hashcig = true;
    cond.signal("上煙了");
  } ...
}

3.4.6 流程圖

4. AQS框架擴(kuò)展

4.1 semaphore信號(hào)量

（1）作用：實(shí)現(xiàn)互斥鎖，通過(guò)同時(shí)只能有一個(gè)線程能獲取信息量；用于實(shí)現(xiàn)限流功能；
（2）工作原理：設(shè)置窗口值，當(dāng)未達(dá)到該窗口值時(shí)，工作線程正常工作；當(dāng)窗口值為0時(shí)，不支持新的線程執(zhí)行任務(wù)，新的線程阻塞，進(jìn)入阻塞隊(duì)列；當(dāng)上一批線程釋放資源后，到等待隊(duì)列中喚醒等待線程，重新執(zhí)行以上流程；
注：即根據(jù)窗口值一個(gè)批次一個(gè)批次執(zhí)行多線程任務(wù)，上個(gè)批次執(zhí)行時(shí)窗口值為0，則后面的線程阻塞；

信號(hào)量流程.png

（3）舉例

semphore windows = new semphore(3); // 設(shè)置窗口值
for (;;) {
  new Thread(new Runnable() {
      public void run() {
        try {
        windows.acquire();  // 占用窗口, windows - 1
        Thread.sleep();
      } finally {
        window.release();  // 釋放
      }
    }
  }
}

4.2 CountDownLatch

（1）作用：是一個(gè)同步協(xié)作類(lèi)，允許一個(gè)或多個(gè)線程等待，直到其他線程完成操作集；使用給定的count初始化，await后阻塞直到當(dāng)前計(jì)數(shù)值；由于countDown方法調(diào)用達(dá)到0，count為0后所有等待線程均釋放；
注：將所有線程阻塞，直到countDown減到0值，調(diào)用unpark喚醒阻塞線程
（2）實(shí)現(xiàn)原理：每次countDownLatch都執(zhí)行release(1)減1，當(dāng)減到0時(shí)調(diào)用unpark喚醒阻塞線程；即：state != 0，線程阻塞；state = 0，線程繼續(xù)執(zhí)行；
（3）使用場(chǎng)景圖：

countDown.png

4.3 CyclicBarrier 循環(huán)屏障

4.3.1 使多個(gè)線程在cyclicBarrier上阻塞，直到滿足某條件放開(kāi)

cyclicbarrier.png

4.3.2 使用實(shí)例：

CyclicBarrier cyc = new CyclicBarrier(3);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
  new Thread(() -> {
    try {
      System.out.println(Thread.current().getName());
      cyc.await();  // 未達(dá)到三個(gè)線程，則進(jìn)行線程阻塞；總計(jì)達(dá)到三個(gè)線程時(shí)，繼續(xù)向下執(zhí)行
     System.out.println(Thread.current().getName());
     Thread.sleep(5000);
     System.out.println(Thread.current().getName());
    } catch (...) { }
  }
} 

4.3.3 使用場(chǎng)景：

實(shí)現(xiàn)人滿發(fā)車(chē)場(chǎng)景，線程池用于線程復(fù)用

AutoicInteger con = new AutoicInteger();
ThreadPoolExecutor thread = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 1000, Timeunit.Seconds, new ArrayBlockingQueue<>(100), (r)->new Thread(r, con.addAndGet(1)), new ThreadPoolExecutor.Abortpolicy());
CyclicBarrier cyc = new CyclicBarrier(5, () -> System.out.print("start"));
for (int i = 0; i < 10; i++) {
  ThreadPoolExecutor.submit(new Runner(cyc));
}

4.3.4 實(shí)現(xiàn)流程：

（1）首先加獨(dú)占鎖， 鎖住int state
（2）進(jìn)入條件隊(duì)列，阻塞線程，并釋放鎖；由于finally塊中的釋放鎖lock.unlock()；需重新獲取鎖
（3）由于僅有同步隊(duì)列邏輯實(shí)現(xiàn)中有喚醒線程，并重新獲取鎖的實(shí)現(xiàn)，這里進(jìn)行對(duì)進(jìn)入同步隊(duì)列的復(fù)用
（4）喚醒同步隊(duì)列綁定的線程節(jié)點(diǎn)

4.3.5 兩種重要的隊(duì)列：

（1）同步等待隊(duì)列：主要用于維護(hù)獲取鎖失敗時(shí)入隊(duì)的線程
（2）條件等待隊(duì)列：調(diào)用await()方法時(shí)會(huì)釋放鎖，線程會(huì)加入條件隊(duì)列；
調(diào)用signal()喚醒時(shí)將條件隊(duì)列中線程節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到同步隊(duì)列中，等待再次獲取鎖

4.4 ReentrantReadWriteLock

針對(duì)讀多寫(xiě)少場(chǎng)景，該工具特性為：讀讀可并發(fā)；寫(xiě)寫(xiě)、寫(xiě)讀互斥；提高讀寫(xiě)場(chǎng)景并發(fā)量

4.4.1 總結(jié)，實(shí)現(xiàn)一把鎖有哪些設(shè)計(jì)？

（1）cas + 自旋嘗試
（2）管程方式：synchronized
（3）AQS方式：Cas + 同步隊(duì)列
（4）實(shí)現(xiàn)tryAcquired()方法 -> ReentrantLock等

4.4.2 如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一把讀寫(xiě)分離鎖？

答：采用高地位打標(biāo)設(shè)計(jì)
高16位不為0:有讀鎖，每多一位表示多一個(gè)線程持有讀鎖，最高為65535個(gè)
低16位不為0:有寫(xiě)鎖，沒(méi)多一位表示多一次重入