Jave併發的藝術
併發編程的挑戰
上下文切換
CPU通過時間片分配算法來循環執行任務，當前時間片執行完之後會切換到下一個任務。但是，切換會保存上一個任務的狀態，一遍下次切換回這個任務時，可以再次加載這個狀態。所以任務從保存到再加載的過程就是一次上下文切換。
如何減少上下文切換
減少上下文切換的方法有無鎖併發編程、CAS算法、使用最少線程和使用協程
- 無鎖併發編程：多線程競爭鎖時，會引起上下文切換，所以多線程處理數據時，可以用一些辦法避免使用鎖，如將數據ID按照Hash算法取模分段，不同的線程處理不同段的數據
- CAS算法：Java的Atomic包使用CAS算法來更新數據，而不需要加鎖
- 使用最少線程：避免創建不需要的線程，比如任務很少，但是創建了很多線程來處理，這樣會造成大量線程都處於等待狀態
- 協程：在單線程實現多任務的調度，並在單線程裏維持多個任務間的切換
死鎖
死鎖常見的原因是，線程之間相互等待。避免死鎖的幾個常見方法：
- 避免一個線程獲取多個鎖
- 避免一個線程在鎖內同時佔用多個資源，儘量保證每個鎖只佔用一個資源
- 嘗試使用定時鎖，使用lock.tryLock(timeout)來代替使用內部鎖機制
- 對於數據庫鎖，加鎖和解鎖必須在一個數據庫連接裏，否則會出現解鎖失敗的情況
底層實現原理
volatile
volatile的定義與實現原理
Java編程語言允許線程訪問共享變量，爲了確保共享變量能被準確和一致地更新，線程應該確保通過排他鎖單獨獲取這個變量。所以java提供了volatile，在某些情況下面比鎖更加的方便。如果一個字段被聲明爲volatile，Java線程內存模型確保所有線程看到這個變量的值是一致的。
volatile如何保證可見性：通過Lock前綴指令，對volatile進行寫時，JVM會向處理器發送一條Lock前綴的指令，將這個變量所在緩存行的數據寫回到系統內存
- Lock前綴指令會引起處理器緩存行寫回到內存
- 一個處理器的緩存回寫會導致其他處理器的緩存無效
synchronized
synchronized的介紹
併發編程裏面元老級別的存在，重量級的鎖。Java裏面每一個對象都可以作爲鎖
- 對於普通的方法，鎖是當前實例的對象
- 對於靜態同步方法，鎖是當前類的Class對象
- 對於同步方法塊，鎖是Synchronized括號裏配置的對象
Java對象頭
synchronized用的鎖是存在Java對象頭裏面的。對象頭的內容
- Mark Word：存儲對象的HashCode或鎖信息
- Class Metadata Address：儲存到對象類型數據的指針
- Array length：數組的長度
Mark Word裏默認存儲對象的HashCode、分代年齡和鎖標記，Mark Word裏儲存的數據會隨着鎖標誌位的變化而變化。以下是四種狀態的變化
- 輕量級鎖：指向棧中鎖記錄的指針，鎖標誌位 00
- 重量級鎖：指向互斥量（重量級鎖）的指針 ，鎖標誌位 10
- GC標記：空，鎖標誌位 11
- 偏向鎖：線程ID，Epoch，對象分代年齡，是否是偏向鎖，鎖標誌位 01
鎖的升級與對比
鎖一共有四種狀態，級別從低到高依次是：無鎖狀態、偏向鎖狀態，輕量級鎖狀態和重量級鎖狀態，這幾個狀態會隨着競爭情況逐漸升級。注意：鎖可以升級但是不能夠降級。一些的設計目的只有一個。爲了提高獲得鎖和釋放鎖的效率
- 偏向鎖：大多數情況下，鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由他同一個線程多次獲得，爲了讓線程獲得鎖的代價更低而引入了偏向鎖。如：當一個線程訪問同步塊並獲取鎖時，會在對象頭和棧幀中的鎖記錄裏存儲鎖偏向的線程ID，以後該線程再次進入和退出同步塊時不需要進行CAS操作來加鎖和解鎖，僅僅判斷一下對象頭裏面的Mark Word裏面是否存儲着指向當前線程的偏向鎖。如果有，表示當前線程已經獲得了鎖；如果沒有，則使用CAS競爭鎖，再嘗試使用CAS將對象頭的偏向鎖指向當前線程
- 輕量級鎖：線程在執行同步塊之前，JVM會先在當前線程的棧幀中創建用於儲存記錄的空間，並將對象頭中的Mark Word複製到鎖記錄中，官方稱爲Displaced Mark Word。然後線程嘗試使用CAS將對象頭中的Mark Word替換爲指向鎖記錄的指針。如果成功，當前線程就會獲得鎖，如果失敗，表示其他線程競爭鎖，當前線程便可以嘗試通過自旋來獲取鎖，自旋失敗之後，鎖就會膨脹成重量級鎖
- 重量級鎖：因爲自旋會消耗CPU，爲了避免無用的自旋（如：獲得鎖的線程被阻塞住了），一旦鎖升級爲重量級鎖就不會恢復到輕量級鎖狀態。當鎖出於這個狀態下，其他線程試圖獲取鎖時，都會被阻塞住，當持有鎖的線程釋放鎖之後會喚醒這些線程，被喚醒的線程就會進入新一輪的奪鎖之爭
原子操作的實現原理
原子（atomic），不能被進一步分割的最小粒子，原子操作：不能被中斷的一個或一系列的操作。
處理器如何實現原子操作
- 第一個機制，通過總線鎖來保證原子性
- 第二個機制，通過緩存鎖定來保證原子性
Java如何實現原子操作
可以通過鎖，和循環CAS的方式實現原子操作
CAS
CAS（Compare And Swap）：比較並且交換。一箇舊值，一個新值，操作之前比較舊值有沒有發生變化，如果沒有發生變化，才換成新值，發生了變化則不交換
CAS存在的三大問題：
- ABA問題：CAS操作需要在操作的值的時候，檢查值有沒有發生變化。但是如果一個值原來是A，變成了B，又變成了A，使用CAS進行檢查時會發現他的值沒有發生變化，但是實際上他發生了變化。解決方案：給變量加上版本號
- 循環時間長開銷大：自旋CAS如果不成功，會給CPU帶來非常大的開銷
- 只能保證一個共享變量的原子操作：JDK提供了AtomicReference類來保證引用對象之間的原子性，就可以把多個變量放在一個對象裏來進行CAS操作