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作者: 藍(lán)師傅_Android

原文: https://juejin.im/post/5d7da37d6fb9a06b0202f156

多線程并發(fā)問題，基本是面試必問的。

大部分同學(xué)應(yīng)該都知道Synchronized，Lock，部分同學(xué)能說到volatile、并發(fā)包，優(yōu)秀的同學(xué)則能在前面的基礎(chǔ)上，說出Synchronized、volatile的原理，以及并發(fā)包中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如ConcurrentHashMap的原理。

這篇文章將總結(jié)多線程并發(fā)的各種處理方式，希望對大家有所幫助。

一、多線程為什么會有并發(fā)問題

為什么多線程同時(shí)訪問（讀寫）同個(gè)變量，會有并發(fā)問題？

1. JAVA 內(nèi)存模型規(guī)定了所有的變量都存儲在主內(nèi)存中，每條線程有自己的工作內(nèi)存。

2. 線程的工作內(nèi)存中保存了該線程中用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝，線程對變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主內(nèi)存。

3. 線程訪問一個(gè)變量，首先將變量從主內(nèi)存拷貝到工作內(nèi)存，對變量的寫操作，不會馬上同步到主內(nèi)存。

4. 不同的線程之間也無法直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量的傳遞均需要自己的工作內(nèi)存和主存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)同步進(jìn)行。

二、Java 內(nèi)存模型（JMM）

Java 內(nèi)存模型(JMM) 作用于工作內(nèi)存（本地內(nèi)存）和主存之間數(shù)據(jù)同步過程，它規(guī)定了如何做數(shù)據(jù)同步以及什么時(shí)候做數(shù)據(jù)同步，如下圖。

三、并發(fā)三要素

原子性：在一個(gè)操作中，CPU 不可以在中途暫停然后再調(diào)度，即不被中斷操作，要么執(zhí)行完成，要么就不執(zhí)行。

可見性：多個(gè)線程訪問同一個(gè)變量時(shí)，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。

有序性：程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。

四、怎么做，才能解決并發(fā)問題？（重點(diǎn)）

下面結(jié)合不同場景分析解決并發(fā)問題的處理方式。

一、volatile

1.1 volatile 特性

保證可見性，不保證原子性。

1. 當(dāng)寫一個(gè)volatile變量時(shí)，JVM會把本地內(nèi)存的變量強(qiáng)制刷新到主內(nèi)存中。

2. 這個(gè)寫操作導(dǎo)致其他線程中的緩存無效，其他線程讀，會從主內(nèi)存讀。volatile的寫操作對其它線程實(shí)時(shí)可見。

禁止指令重排序 指令重排序是指編譯器和處理器為了優(yōu)化程序性能對指令進(jìn)行排序的一種手段，需要遵守一定規(guī)則：

1. 不會對存在依賴關(guān)系的指令重排序，例如 a = 1;b = a; a 和b存在依賴關(guān)系，不會被重排序。

2. 不能影響單線程下的執(zhí)行結(jié)果。比如：a=1;b=2;c=a+b這三個(gè)操作,前兩個(gè)操作可以重排序，但是c=a+b不會被重排序，因?yàn)橐ＷC結(jié)果是3。

1.2 使用場景

對于一個(gè)變量，只有一個(gè)線程執(zhí)行寫操作，其它線程都是讀操作，這時(shí)候可以用 volatile 修飾這個(gè)變量。

1.3 單例雙重鎖為什么要用到volatile？

public class TestInstance {

private static volatile TestInstance mInstance;

public static TestInstance getInstance{ //1
if (mInstance == ){ //2
synchronized (TestInstance.class){ //3
if (mInstance == ){ //4
mInstance = new TestInstance; //5
}
}
}
return mInstance;
}

假如沒有用volatile，并發(fā)情況下會出現(xiàn)問題，線程A執(zhí)行到注釋5 new TestInstance 的時(shí)候，分為如下幾個(gè)幾步操作：

1. 分配內(nèi)存

2. 初始化對象

3. mInstance 指向內(nèi)存

這時(shí)候如果發(fā)生指令重排，執(zhí)行順序是132，執(zhí)行到第3的時(shí)候，線程B剛好進(jìn)來了，并且執(zhí)行到注釋2，這時(shí)候判斷mInstance 不為空，直接使用一個(gè)未初始化的對象。所以使用volatile關(guān)鍵字來禁止指令重排序。

1.4 volatile 原理

在JVM底層volatile是采用內(nèi)存屏障來實(shí)現(xiàn)的，內(nèi)存屏障會提供3個(gè)功能：

1. 它確保指令重排序時(shí)不會把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置，也不會把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面；即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時(shí)，在它前面的操作已經(jīng)全部完成；

2. 它會強(qiáng)制將緩存的修改操作立即寫到主內(nèi)存

3. 寫操作會導(dǎo)致其它CPU中的緩存行失效，寫之后，其它線程的讀操作會從主內(nèi)存讀。

1.5 volatile 的局限性

volatile 只能保證可見性，不能保證原子性寫操作對其它線程可見，但是不能解決多個(gè)線程同時(shí)寫的問題。

二、Synchronized

2.1 Synchronized 使用場景

多個(gè)線程同時(shí)寫一個(gè)變量。

例如售票，余票是100張，窗口A和窗口B同時(shí)各賣出一張票， 假如余票變量用 volatile 修飾，是有問題的。

A窗口獲取余票是100，B窗口獲取余票也是100，A賣出一張變成99，刷新回主內(nèi)存，同時(shí)B賣出一張變成99，也刷新回主內(nèi)存，會導(dǎo)致最終主內(nèi)存余票是99而不是98。

前面說到 volatile 的局限性，就是多個(gè)線程同時(shí)寫的情況，這種情況一般可以使用Synchronized。

Synchronized 可以保證同一時(shí)刻，只有一個(gè)線程可執(zhí)行某個(gè)方法或某個(gè)代碼塊。

2.2 Synchronized 原理

public class SynchronizedTest {

public static void main(String[] args) {
synchronized (SynchronizedTest.class) {
System.out.println("123");
}
method;
}

private static void method {
}
}

將這段代碼先用javac命令編譯，再java p -v SynchronizedTest.class命令查看字節(jié)碼，部分字節(jié)碼如下

public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1
0: ldc #2 // class com/lanshifu/opengldemo/test/SynchronizedTest
2: dup
3: astore_1
4: monitorenter
5: getstatic #3 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
8: ldc #4 // String 123
10: invokevirtual #5 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
13: aload_1
14: monitorexit
15: goto 23
18: astore_2
19: aload_1
20: monitorexit
21: aload_2
22: athrow
23: invokestatic #6 // Method method:V
26: return

可以看到 4: monitorenter 和 14: monitorexit，中間是打印的語句。

執(zhí)行同步代碼塊，首先會執(zhí)行monitorenter指令，然后執(zhí)行同步代碼塊中的代碼，退出同步代碼塊的時(shí)候會執(zhí)行monitorexit指令 。

使用Synchronized進(jìn)行同步，其關(guān)鍵就是必須要對對象的監(jiān)視器monitor進(jìn)行獲取，當(dāng)線程獲取monitor后才能繼續(xù)往下執(zhí)行，否則就進(jìn)入同步隊(duì)列，線程狀態(tài)變成BLOCK，同一時(shí)刻只有一個(gè)線程能夠獲取到monitor，當(dāng)監(jiān)聽到monitorexit被調(diào)用，隊(duì)列里就有一個(gè)線程出隊(duì)，獲取monitor。詳情參考：

https://www.jianshu.com/p/d53bf830fa09

每個(gè)對象擁有一個(gè)計(jì)數(shù)器，當(dāng)線程獲取該對象鎖后，計(jì)數(shù)器就會加一，釋放鎖后就會將計(jì)數(shù)器減一，所以只要這個(gè)鎖的計(jì)數(shù)器大于0，其它線程訪問就只能等待。

2.3 Synchronized 鎖的升級

大家對Synchronized的理解可能就是重量級鎖，但是Java1.6對 Synchronized 進(jìn)行了各種優(yōu)化之后，有些情況下它就并不那么重，Java1.6 中為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗而引入的偏向鎖和輕量級鎖。

偏向鎖： 大多數(shù)情況下，鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由同一線程多次獲得，為了讓線程獲得鎖的代價(jià)更低而引入了偏向鎖。

當(dāng)一個(gè)線程A訪問加了同步鎖的代碼塊時(shí)，會在對象頭中存 儲當(dāng)前線程的id，后續(xù)這個(gè)線程進(jìn)入和退出這段加了同步鎖的代碼塊時(shí)，不需要再次加鎖和釋放鎖。

輕量級鎖： 在偏向鎖情況下，如果線程B也訪問了同步代碼塊，比較對象頭的線程id不一樣，會升級為輕量級鎖，并且通過自旋的方式來獲取輕量級鎖。

重量級鎖： 如果線程A和線程B同時(shí)訪問同步代碼塊，則輕量級鎖會升級為重量級鎖，線程A獲取到重量級鎖的情況下，線程B只能入隊(duì)等待，進(jìn)入BLOCK狀態(tài)。

2.4 Synchronized 缺點(diǎn)

1. 不能設(shè)置鎖超時(shí)時(shí)間

2. 不能通過代碼釋放鎖

3. 容易造成死鎖

三、ReentrantLock

上面說到Synchronized的缺點(diǎn)，不能設(shè)置鎖超時(shí)時(shí)間和不能通過代碼釋放鎖，ReentranLock就可以解決這個(gè)問題。

在多個(gè)條件變量和高度競爭鎖的地方，用ReentrantLock更合適，ReentrantLock還提供了Condition，對線程的等待和喚醒等操作更加靈活，一個(gè)ReentrantLock可以有多個(gè)Condition實(shí)例，所以更有擴(kuò)展性。

3.1 ReentrantLock 的使用

lock 和 unlock

ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock;
System.out.println("reentrantLock->lock");
reentrantLock.lock;
try {
System.out.println("睡眠2秒...");
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace;
}finally {
reentrantLock.unlock;
System.out.println("reentrantLock->unlock");
}

實(shí)現(xiàn)可定時(shí)的鎖請求：tryLock

public static void main(String[] args) {
ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock;
Thread thread1 = new Thread_tryLock(reentrantLock);
thread1.setName("thread1");
thread1.start;
Thread thread2 = new Thread_tryLock(reentrantLock);
thread2.setName("thread2");
thread2.start;
}


static class Thread_tryLock extends Thread {
ReentrantLock reentrantLock;
public Thread_tryLock(ReentrantLock reentrantLock) {
this.reentrantLock = reentrantLock;
}

@Override
public void run {
try {
System.out.println("try lock:" + Thread.currentThread.getName);
boolean tryLock = reentrantLock.tryLock(3, TimeUnit.SECONDS);
if (tryLock) {
System.out.println("try lock success :" + Thread.currentThread.getName);
System.out.println("睡眠一下：" + Thread.currentThread.getName);
Thread.sleep(5000);
System.out.println("醒了：" + Thread.currentThread.getName);
} else {
System.out.println("try lock 超時(shí) :" + Thread.currentThread.getName);
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace;
} finally {
System.out.println("unlock:" + Thread.currentThread.getName);
reentrantLock.unlock;
}
}
}

打印的日志：

try lock:thread1
try lock:thread2
try lock success :thread2
睡眠一下：thread2
try lock 超時(shí) :thread1
unlock:thread1
Exception in thread "thread1" java.lang.IllegalMonitorStateException
at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync.tryRelease(ReentrantLock.java:151)
at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.release(AbstractQueuedSynchronizer.java:1261)
at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.unlock(ReentrantLock.java:457)
at com.lanshifu.demo_module.test.lock.ReentranLockTest$Thread_tryLock.run(ReentranLockTest.java:60)
醒了：thread2
unlock:thread2

上面演示了trtLock的使用，trtLock設(shè)置獲取鎖的等待時(shí)間，超過3秒直接返回失敗，可以從日志中看到結(jié)果。有異常是因?yàn)閠hread1獲取鎖失敗，不應(yīng)該調(diào)用unlock。

3.2 Condition 條件

public static void main(String[] args) {
Thread_Condition thread_condition = new Thread_Condition;
thread_condition.setName("測試Condition的線程");
thread_condition.start;
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace;
}
thread_condition.singal;
}
static class Thread_Condition extends Thread {

@Override
public void run {
await;
}

private ReentrantLock lock = new ReentrantLock;
public Condition condition = lock.newCondition;

public void await {
try {
System.out.println("lock");
lock.lock;
System.out.println(Thread.currentThread.getName + ":我在等待通知的到來...");
condition.await;//await 和 signal 對應(yīng)
//condition.await(2, TimeUnit.SECONDS); //設(shè)置等待超時(shí)時(shí)間
System.out.println(Thread.currentThread.getName + ":等到通知了，我繼續(xù)執(zhí)行>>>");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace;
} finally {
System.out.println("unlock");
lock.unlock;
}
}

public void singal {
try {
System.out.println("lock");
lock.lock;
System.out.println("我要通知在等待的線程，condition.signal");
condition.signal;//await 和 signal 對應(yīng)
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace;
} finally {
System.out.println("unlock");
lock.unlock;
}
}
}

運(yùn)行打印日志

lock
測試Condition的線程:我在等待通知的到來...
lock
我要通知在等待的線程，condition.signal
unlock
測試Condition的線程:等到通知了，我繼續(xù)執(zhí)行>>>
unlock

上面演示了Condition的 await 和 signal 使用，前提要先lock。

3.3 公平鎖與非公平鎖

ReentrantLock 構(gòu)造函數(shù)傳true表示公平鎖。

公平鎖表示線程獲取鎖的順序是按照線程加鎖的順序來分配的，即先來先得的順序。而非公平鎖就是一種鎖的搶占機(jī)制，是隨機(jī)獲得鎖的，可能會導(dǎo)致某些線程一致拿不到鎖，所以是不公平的。

3.4 ReentrantLock 注意點(diǎn)

1. ReentrantLock使用lock和unlock來獲得鎖和釋放鎖

2. unlock要放在finally中，這樣正常運(yùn)行或者異常都會釋放鎖

3. 使用condition的await和signal方法之前，必須調(diào)用lock方法獲得對象監(jiān)視器

四、并發(fā)包

通過上面分析，并發(fā)嚴(yán)重的情況下，使用鎖顯然效率低下，因?yàn)橥粫r(shí)刻只能有一個(gè)線程可以獲得鎖，其它線程只能乖乖等待。

Java提供了并發(fā)包解決這個(gè)問題，接下來介紹并發(fā)包里一些常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

4.1 ConcurrentHashMap

我們都知道HashMap是線程不安全的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，HashTable則在HashMap基礎(chǔ)上，get方法和put方法加上Synchronized修飾變成線程安全，不過在高并發(fā)情況下效率底下，最終被ConcurrentHashMap替代。

ConcurrentHashMap 采用分段鎖，內(nèi)部默認(rèn)有16個(gè)桶，get和put操作，首先將key計(jì)算hashcode，然后跟16取余，落到16個(gè)桶中的一個(gè)，然后每個(gè)桶中都加了鎖（ReentrantLock），桶中是HashMap結(jié)構(gòu)（數(shù)組加鏈表，鏈表過長轉(zhuǎn)紅黑樹）。

所以理論上最多支持16個(gè)線程同時(shí)訪問。

4.2 LinkBlockingQueue

鏈表結(jié)構(gòu)的阻塞隊(duì)列，內(nèi)部使用多個(gè)ReentrantLock

/** Lock held by take, poll, etc */
private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock;
/** Wait queue for waiting takes */
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition;
/** Lock held by put, offer, etc */
private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock;
/** Wait queue for waiting puts */
private final Condition notFull = putLock.newCondition;

private void signalNotEmpty {
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lock;
try {
notEmpty.signal;
} finally {
takeLock.unlock;
}
}

/**
* Signals a waiting put. Called only from take/poll.
*/
private void signalNotFull {
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
putLock.lock;
try {
notFull.signal;
} finally {
putLock.unlock;
}
}

源碼不貼太多，簡單說一下LinkBlockingQueue 的邏輯：

1. 從隊(duì)列獲取數(shù)據(jù)，如果隊(duì)列中沒有數(shù)據(jù)，會調(diào)用notEmpty.await;進(jìn)入等待。

2. 在放數(shù)據(jù)進(jìn)去隊(duì)列的時(shí)候會調(diào)用notEmpty.signal;，通知消費(fèi)者，1中的等待結(jié)束，喚醒繼續(xù)執(zhí)行。

3. 從隊(duì)列里取到數(shù)據(jù)的時(shí)候會調(diào)用notFull.signal;，通知生產(chǎn)者繼續(xù)生產(chǎn)。

4. 在put數(shù)據(jù)進(jìn)入隊(duì)列的時(shí)候，如果判斷隊(duì)列中的數(shù)據(jù)達(dá)到最大值，那么會調(diào)用notFull.await;，等待消費(fèi)者消費(fèi)掉，也就是等待3去取數(shù)據(jù)并且發(fā)出notFull.signal;，這時(shí)候生產(chǎn)者才能繼續(xù)生產(chǎn)。

LinkBlockingQueue 是典型的生產(chǎn)者消費(fèi)者模式，源碼細(xì)節(jié)就不多說。

4.3 原子操作類：AtomicInteger

內(nèi)部采用CAS（compare and swap）保證原子性

舉一個(gè)int自增的例子

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
atomicInteger.incrementAndGet;//自增

源碼看一下

/**
* Atomically increments by one the current value.
*
* @return the updated value
*/
public final int incrementAndGet {
return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1) + 1;
}

U 是 Unsafe，看下 Unsafe#getAndAddInt

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}

通過compareAndSwapInt保證原子性。

五、總結(jié)

面試中問到多線程并發(fā)問題，可以這么答：

1. 當(dāng)只有一個(gè)線程寫，其它線程都是讀的時(shí)候，可以用volatile修飾變量

2. 當(dāng)多個(gè)線程寫，那么一般情況下并發(fā)不嚴(yán)重的話可以用Synchronized，Synchronized并不是一開始就是重量級鎖，在并發(fā)不嚴(yán)重的時(shí)候，比如只有一個(gè)線程訪問的時(shí)候，是偏向鎖；當(dāng)多個(gè)線程訪問，但不是同時(shí)訪問，這時(shí)候鎖升級為輕量級鎖；當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問，這時(shí)候升級為重量級鎖。所以在并發(fā)不是很嚴(yán)重的情況下，使用Synchronized是可以的。不過Synchronized有局限性，比如不能設(shè)置鎖超時(shí)，不能通過代碼釋放鎖。

3. ReentranLock 可以通過代碼釋放鎖，可以設(shè)置鎖超時(shí)。

4. 高并發(fā)下，Synchronized、ReentranLock 效率低，因?yàn)橥粫r(shí)刻只有一個(gè)線程能進(jìn)入同步代碼塊，如果同時(shí)有很多線程訪問，那么其它線程就都在等待鎖。這個(gè)時(shí)候可以使用并發(fā)包下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如ConcurrentHashMap，LinkBlockingQueue，以及原子性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如：AtomicInteger。

面試的時(shí)候按照上面總結(jié)的這個(gè)思路回答基本就ok了。既然說到并發(fā)包，那么除了ConcurrentHashMap，其它一些常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的原理也需要去了解下，例如HashMap、HashTable、TreeMap原理，ArrayList、LinkedList對比，這些都是老生常談的，自己去看源碼或者一些博客。

關(guān)于多線程并發(fā)就先總結(jié)到這里，如果是應(yīng)付面試的話按照這篇文章的思路來準(zhǔn)備應(yīng)該是沒太大問題的。