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Java中有哪些無鎖技術來解決并發問題?如何使用?

 

除了使用 synchronized、Lock 加鎖之外,JAVA 中還有很多不需要加鎖就可以解決并發問題的工具類

一、原子工具類

JDK 1.8 中,java.util.concurrent.atomic 包下類都是原子類,原子類都是基于 sun.misc.Unsafe 實現的。

  • CPU 為了解決并發問題,提供了 CAS 指令,全稱 Compare And Swap,即比較并交互
  • CAS 指令需要 3 個參數,變量、比較值、新值。當變量的當前值與比較值相等時,才把變量更新為新值
  • CAS 是一條 CPU 指令,由 CPU 硬件級別上保證原子性
  • java.util.concurrent.atomic 包中的原子分為:原子性基本數據類型、原子性對象引用類型、原子性數組、原子性對象屬性更新器和原子性累加器

原子性基本數據類型:AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong

原子性對象引用類型:AtomicReference、AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference

原子性數組:AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray

原子性對象屬性更新:AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater

原子性累加器:DoubleAccumulator、DoubleAdder、LongAccumulator、LongAdder

修改我們之前測試原子性問題的類,使用 AtomicInteger 的簡單例子

package constxiong.concurrency.a026;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * 測試 原子類 AtomicInteger
 * 
 * @author ConstXiong
 */
public class TestAtomicInteger {

 // 計數變量
 static volatile AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 // 線程 1 給 count 加 10000
 Thread t1 = new Thread(() -> {
 for (int j = 0; j <10000; j++) {
 count.incrementAndGet();
 }
 System.out.println("thread t1 count 加 10000 結束");
 });

 // 線程 2 給 count 加 10000
 Thread t2 = new Thread(() -> {
 for (int j = 0; j <10000; j++) {
 count.incrementAndGet();
 }
 System.out.println("thread t2 count 加 10000 結束");
 });

 // 啟動線程 1
 t1.start();
 // 啟動線程 2
 t2.start();

 // 等待線程 1 執行完成
 t1.join();
 // 等待線程 2 執行完成
 t2.join();

 // 打印 count 變量
 System.out.println(count.get());
 }

}

打印結果如預期

thread t2 count 加 10000 結束
thread t1 count 加 10000 結束
20000
Java中有哪些無鎖技術來解決并發問題?如何使用?

 

二、線程本地存儲

  • java.lang.ThreadLocal 類用于線程本地化存儲。
  • 線程本地化存儲,就是為每一個線程創建一個變量,只有本線程可以在該變量中查看和修改值。
  • 典型的使用例子就是,spring 在處理數據庫事務問題的時候,就用了 ThreadLocal 為每個線程存儲了各自的數據庫連接 Connection。
  • 使用 ThreadLocal 要注意,在不使用該變量的時候,一定要調用 remove() 方法移除變量,否則可能造成內存泄漏的問題。

示例

package constxiong.concurrency.a026;

/**
 * 測試 原子類 AtomicInteger
 * 
 * @author ConstXiong
 */
public class TestThreadLocal {

 // 線程本地存儲變量
 private static final ThreadLocal<Integer> THREAD_LOCAL_NUM = new ThreadLocal<Integer>() {
 @Override
 protected Integer initialValue() {//初始值
 return 0;
 }
 };

 public static void main(String[] args) {
 for (int i = 0; i <3; i++) {// 啟動三個線程
 Thread t = new Thread() {
 @Override
 public void run() {
 add10ByThreadLocal();
 }
 };
 t.start();
 }
 }

 /**
 * 線程本地存儲變量加 5
 */
 private static void add10ByThreadLocal() {
 try {
 for (int i = 0; i <5; i++) {
 Integer n = THREAD_LOCAL_NUM.get();
 n += 1;
 THREAD_LOCAL_NUM.set(n);
 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : ThreadLocal num=" + n);
 }
 } finally {
 THREAD_LOCAL_NUM.remove();// 將變量移除
 }
 }
}

每個線程最后一個值都打印到了 5

Thread-0 : ThreadLocal num=1
Thread-2 : ThreadLocal num=1
Thread-1 : ThreadLocal num=1
Thread-2 : ThreadLocal num=2
Thread-0 : ThreadLocal num=2
Thread-2 : ThreadLocal num=3
Thread-0 : ThreadLocal num=3
Thread-1 : ThreadLocal num=2
Thread-0 : ThreadLocal num=4
Thread-2 : ThreadLocal num=4
Thread-0 : ThreadLocal num=5
Thread-1 : ThreadLocal num=3
Thread-2 : ThreadLocal num=5
Thread-1 : ThreadLocal num=4
Thread-1 : ThreadLocal num=5

 

Java中有哪些無鎖技術來解決并發問題?如何使用?

 

三、copy-on-write

  • 根據英文名稱可以看出,需要寫時復制,體現的是一種延時策略。
  • Java 中的 copy-on-write 容器包括:CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet。
  • 涉及到數組的全量復制,所以也比較耗內存,在寫少的情況下使用比較適合。

簡單的 CopyOnWriteArrayList 的示例,這里只是說明 CopyOnWriteArrayList 怎么用,并且是線程安全的。這個場景并不適合使用 CopyOnWriteArrayList,因為寫多讀少

package constxiong.concurrency.a026;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;

/**
 * 測試 copy-on-write
 * @author ConstXiong
 */
public class TestCopyOnWrite {

 private static final Random R = new Random();
 
 private static CopyOnWriteArrayList<Integer> cowList = new CopyOnWriteArrayList<Integer>();
// private static ArrayList<Integer> cowList = new ArrayList<Integer>();
 
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 List<Thread> threadList = new ArrayList<Thread>();
 //啟動 1000 個線程,向 cowList 添加 5 個隨機整數
 for (int i = 0; i <1000; i++) {
 Thread t = new Thread(() -> {
 for (int j = 0; j <5; j++) {
 //休眠 10 毫秒,讓線程同時向 cowList 添加整數,引出并發問題
 try {
 Thread.sleep(10);
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 cowList.add(R.nextInt(100));
 }
 }) ;
 t.start();
 threadList.add(t);
 }
 
 for (Thread t : threadList) {
 t.join();
 }
 System.out.println(cowList.size());
 }
}

打印結果

5000

如果把

private static CopyOnWriteArrayList<Integer> cowList = new CopyOnWriteArrayList<Integer>();

改為

private static ArrayList<Integer> cowList = new ArrayList<Integer>();

打印結果就是小于 5000 的整數了

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