【Java 并发003】原理层面：Java并发三特性全解析

一、前言

不管什么语言，并发的编程都是在高级的部分，因为并发的涉及的知识太广，不单单是操作系统的知识，还有计算机的组成的知识等等。说到底，这些年硬件的不断的发展，但是一直有一个核心的矛盾在：CPU、内存、I/O设备的三者的速度的差异。这就是所有的并发的源头。

CPU与内存：缓存，CPU增加了缓存，以均衡与内存的差异；（但是带来可见性问题）
CPU与IO设备：进程、线程，操作系统增加了进程、线程，以分时复用CPU，进而均衡CPU与I/O设备的速度差异；（但是带来原子性问题）
编译程序指令重排序，编译程序优化指令执行次序，使得缓存能够得到更加合理的利用。（但是带来有序性问题）

二、三大源头

2.1 缓存导致可见性问题

2.1.1 理论：从单核CPU到多核CPU

单核：所有的线程都是在一颗CPU上执行，CPU缓存与内存的数据一致性容易解决。因为所有线程都是同一个CPU的缓存，一个线程对缓存的写，对另外一个线程来说一定是可见的；

多核：每颗CPU都有自己的缓存，这时CPU缓存与内存的数据一致性就没有那么容易解决了，当多个线程在不同的CPU上执行时，这些线程操作的是不同的CPU缓存（CPU的解决的方案：MESI协议）。

单核CPU与多核CPU对比如下图：

金手指：一句话小结缓存在多线程下的可见性问题
1、单核cpu，只有一个cpu，所以只有一个缓存，所有的内存都是使用这个缓存，一旦缓存内存修改，所有cpu都可见，没有可见性问题
2、多核cpu，有多个cpu，每一个cpu中一个缓存，所以n个cpu就有n个缓存，n个缓存与同一个主存交互数据，主存中的数据对于所有缓存可见，但是不同缓存之间的数据是不可见的
单线程下，缓存从主存中拿数据，运算，然后再存入主存，没有问题
多线程下，两个线程使用两个不同的cpu，两个cpu缓存都从主存中拿数据，运算，然后再存入主存，这个过程中，每一个线程都是基于自己CPU缓存里的count值来计算，但是自己的缓存数据的修改只有自己可见，造成可见性问题
从 CPU-缓存-主内存 到 执行引擎-工作内存-主内存，
对于JMM，就是各个线程之间的工作内存不可见，所以造成可见性问题。

2.1.2 实践：多线程可见性问题

测试一下可见性，书写以下的代码：

public class Test {
    private static long count = 0;   // 类变量count

    // 添加一万
    private void add10K() {
        int idx = 0;
        // 当小于10000的时候不断加
        while (idx++ < 10000) {
            count += 1;
        }
    }

    public static long calc() throws InterruptedException {
        final Test test = new Test();
        // 创建两个线程，这两个线程执行 add() 操作
        Thread th1 = new Thread(test::add10K);
        Thread th2 = new Thread(test::add10K);
        // 启动两个线程
        th1.start();
        th2.start();
        th1.join();   // 暂停主线程，加入thread1,thread1执行完之后执行main
        th2.join();   // 暂停主线程，加入thread2,thread2执行完之后执行main
        return count;    // 返回类变量count
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println(calc());  // 执行，返回count
    }
}

运行结果如下：可以见得不是20000的值。

11022

原因：原子性无法保证，线程不安全，count += 1; 不是原子操作，是三步操作，可以被打断。
其他的，可见性和有序性都无法保证（即使用volatile修饰保证可见性和有序性也没用，原子性无法保证）
解决方法：同步阻塞保证原子性（synchronized）和非同步阻塞保证原子性（cas）
synchronized == for + if(cas)，注意cas有一个ABA问题，虽然这里累加不涉及

我们假设线程A和线程B同时开始执行，那么第一次都会将count=0读到各自的CPU缓存里，执行完count+=1之后，各自CPU缓存里面的值都是1，同时写入内存后，我们后发现现在内存中是1，而不是我们期望的2。之后由于各自的CPU缓存里都有了count的值，两个线程都是基于CPU缓存里的count值来计算，所以导致最终count的值都是小于20000的。这就是缓存的可见性的问题。

总结：一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立即看到，我们称为可见性.

2.2 线程切换带来的原子性问题

原子性定义：我们把一个或者多个操作在CPU执行过程中不被中断的特性称为原子性。

1. 时间片的引入，CPU分片执行：为了提供CPU的利用率，操作系统允许某个进程分时使用CPU，当一个进程执行IO操作时候(即count+=1 读盘、操作、写盘三操作中的读盘/写盘)，这个时候这个进程将自己标记为休眠的状态，并且让出CPU使用权，让给其他线程执行，这样CPU的使用率就会上来。另一方面，如果这个时候有一个进程要进行IO操作，这个时候会发现已经有进程在IO操作，这个时候新来的进程就会等待。当上个IO进程结束的时候，会再进行这个新来的IO进程，这样IO的使用率也上去了。

2. 高级语言中的语句往往不是原子性的：所有的高级的语言一条语句往往需要CPU中的多条指令。例如count+=1，至少需要三条CPU指令：
   指令1：首先，需要把变量count从内存加载到CPU的寄存器；
   指令2：之后，在寄存器中执行+1操作；
   指令3：最后，将结果写入内存（缓存机制导致可能写入的是CPU缓存而不是内存）

3. 操作系统任务切换，可以发生在任何一条CPU指令执行完。注意，是CPU指令，而不是高级语言里的一条语言，所以，高级语言中的一条语句是可以被中途打断的。

上面说的是，读磁盘-计算-写磁盘，这里演示的是 读内存-计算-写内存，实际上是一样的。

金手指：一句话解析分时时间片在多线程下的原子性问题
1、如果操作系统不支持分时使用CPU，即必须一个进程执行完成之后之后，再执行下一个进程，每一个进程的执行都不会被打断，每一个进程的执行都是原子的，不存在原子性问题。
2、如果操作系统支持分时使用CPU，一个进程执行读写磁盘或者读写内存的时候，会把CPU让出来，让给其他进程使用，如果获得CPU使用权的进程和当前进程修改同一变量，造成安全问题，该问题归根结底是因为打断了对一个变量读写的原子操作。
从 CPU-主内存 到 执行引擎-工作内存-主内存，
对于JMM，就是各个线程之间的工作内存访问主内存的操作无法原子化，所以造成原子性问题。

2.3 编译优化带来的有序性问题

2.3.1 第一，经典案例：双重检查创建单例对象

public class Singleton {
    private Singleton(){}
    private static Singleton instance;
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null)
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

注意：这里的懒汉式单例没有使用volatile关键字修饰instance变量禁止重排序，所有即使使用双层if判断，也是线程不安全的。

2.3.2 第二，我们认为的new操作：instance = new Singleton();

instance = new Singleton();

第一步，分配一块内存M；
第二步，在内存M上初始化Singleton对象，得到M的地址；
第三步，然后M的地址返回给instance变量。 // 最后赋值给instance变量

如果是这样执行，无论单线程还是多线程都不会有问题。
单线程不必多说，多线程下也是安全的（因为一定要第三步赋值给instance变量）
举例：线程A执行到第二步，假设被线程B线程切换，当然不会被切换，因为我们使用synchronized ，在instance没有完成赋值操作之前，线程A不会释放同步锁，所以线程B根本进不来。
所以，按照这个三步骤，可以保证多线程安全

2.3.3 第三，实际优化后的执行路径：instance = new Singleton();

instance = new Singleton();

第一步，分配一块内存M；
第二步，将M的地址赋值给instance变量；// 解释：这个时候Singleton对象还没有初始化，M地址为&M，但是注意，这里完成对instance变量赋值操作后，线程A就会释放同步锁，线程B就可以进来了，这就是指令重排序造成的懒汉式单例双重检查不安全的地方
第三步，最后在内存M上初始化Singleton对象。// 解释：这个时候再来初始化，但是内存M的地址没有给instance变量

如下，由于instance = new Singleton();底层对应的指令重排序，所以线程A第二步就是instance=&M，完成了对instance对象的修改，就会释放同步锁，就会被切换到线程B，这是instance==&M，因为instance已经被赋值修改，不再是null，所以线程B不会再执行自己的instance=new Singleton三步骤了，但是线程B看到M内存中没有初始化的Singleton对象，出错

金手指：一句话小结指令重排序在多线程下的有序性问题（懒汉式单例的双层if判断为例）
1、不使用指令重排序，单线程和多线程下没有线程安全问题
单线程不必多说，多线程下也是安全的（因为一定要第三步赋值给instance变量）
举例：线程A执行到第二步，假设被线程B线程切换，当然不会被切换，因为我们使用synchronized ，在instance没有完成赋值操作之前，线程A不会释放同步锁，所以线程B根本进不来。
所以，按照这个三步骤，可以保证多线程安全
2、使用指令重排序，单线程下没问题，多线程下线程安全问题
由于instance = new Singleton();底层对应的指令重排序，所以线程A第二步就是instance=&M，因为完成了对instance对象的修改，就会释放同步锁，就会被切换到线程B，这时instance==&M，因为instance已经被赋值修改，不再是null，所以线程B不会再执行自己的instance=new Singleton三步骤了，但是线程B看到M内存中没有初始化的Singleton对象，出错
从 CPU-缓存-主内存 到 执行引擎-工作内存-主内存，
对于JMM，就是各个线程之间的执行引擎 指令重排序，所以造成有序性问题。

三、Java中如何解决可见性和有序性问题？(JMM:Java内存模型)

3.1 可见性和有序性

根本的原因：缓存导致可见性，编译优化导致有序性。

解决办法：禁用缓存和编译优化。如果全部的禁用缓存和编译优化，那我们的程序的性能会很差，所以我们的操作是按需禁用缓存以及编译优化。

3.2 JMM处理可见性和有序性问题

JMM（Java内存模型）解决上面的问题主要是volatile、synchronized和final三个关键字，以及八项Happens-Before规则。

3.2.1 volatile：保证可见性

保证可见性不被破坏，就要禁用缓存，强制cpu运算器需要数据的时候直接从主存中拿，因为主存只有一块，对所有的线程都是可见的，从主存中拿就可以保证数据修改对所有线程可见，就解决了可见性问题。但是，不能对所有的变量都禁用缓存，会效率低下。

Java规定，对于使用volatile关键字修饰的变量，cpu对其读写，强制在主存中操作。但是，哪些变量需要使用volatile关键字修饰呢？这就是Java程序员的工作了，其实就是多线程临界区中使用的那些变量，一般只有一个或几个。

volatile保证可见性：告诉编译器，对这个变量的读写，不能使用CPU缓存，必须从内存中读取和写入。

public class VolatileExample {
    int x = 0;
    volatile boolean v = false;   // 使用volatile修饰，保证可见性，从主存中读写

    public void writer() {
        x = 42;
        v = true;   // 写到主存中
    }

    public void reader() {
        if (v == true) {
            //x为多少？
            System.out.println(x);
        }
    }
}

在JDK1.5之前可能会出现x=0的情况，因为变量x可能被CPU缓存而导致可见性问题。1.5之后对volatile语义进行了增强，就是利用Happens-Before规则。

3.2.2 Happens-Before规则（JVM中已经定义的有序性：前面一个操作的结果对后续操作是可见的）

1. 程序次序规则：在一个线程中，按照程序顺序，前面的操作Happens-Before于后续的任何操作。（解释：同一个线程中，或单线程下，有序性不变，执行顺序就是编写顺序）

2. volatile变量规则：对一个volatile编程的写操作，Happens-Before于后续对这个volatile变量的读操作。（解释：volatile强制保证有序性，作为happen-before 8条中的一条）

3. 传递规则：如果A Happens-Before B，且B Happens-Before C，那么A Happens-Before C。（解释：没啥好说的）

4. 锁定规则：对一个锁的解锁Happens-Before与后续对这个锁的加锁。（解释：上一个先解锁，下一个才能加锁，为保证一定解锁，解锁一般放在finally里面）

5. 线程启动规则：如果线程A调用线程B的start()方法(即在线程A中启动线程B),那么该start()操作Happens-Before线程B中的任意操作。（解释：start()在启动线程之前）

6. 线程终结规则：如果在线程A中，调用线程B的join()并成功返回，那么线程B中的任意操作Happens-Before于该join()操作的返回。（解释：join()返回在所有操作之后）

7. 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用Happens-Before被中断线程的代码检测到中断事件的发生（解释：interrupt()早于中断线程）

8. 对象终结规则：一个对象的初始化完成Happens-Before他的finalize()方法的开始。（解释：finalize()一定在结束对象之前）

3.2.3 final关键字（不可变）

JVM中五种线程安全级别：不可变、绝对线程安全、相对线程安全、线程兼容和线程对立，不可变是最高级别的线程安全，和常量一样，使用final修饰变量就是达到不可变
final修饰变量是，初衷是告诉编译器：这个变量生而不变，可以可劲儿优化。

逸出问题：

final int x;
// 错误的构造函数
public FinalFieldExample() {
	x = 3;
	y = 4;
	// 此处就是讲 this 逸出，
	global.obj = this;
}

在1.5以后Java内存模型对final类型变量的重排进行了约束。现在只要我们能够提供正确函数没有‘逸出’，就不会出问题了。

四、Java中如何解决原子性问题（互斥锁）

4.1 保证原子性(原子性两点：保证加锁才进入临界区、保证走完临界区代码解锁)

1、概念：一个或者多个操作在CPU执行过程不被中断的特性，称为原子性。

2、导致的原因：线程切换。

3、操作系统做线程切换是依赖CPU中断的，所以禁止CPU发生中断能够禁止线程切换。
（1）当在32位CPU上执行long型变量的写操作会被拆分成两次操作。写高32位和写低32位。
（2）单核：在单核CPU下，同一时刻只有一个线程执行，禁止CPU中断，意味着操作不会重新调度线程，也就是禁止了线程切换，获得CPU使用权的线程就可以不间断地执行，所以两次写操作一定是：要么都被执行，要么都没有被执行，具有原子性。
（3）多核：同一时刻，有可能有两个线程同时执行，一个线程执行在CPU-1上，一个线程执行在CPU-2上，此时禁止CPU中断，只能保证CPU上的线程连续执行，并不能保证同一时刻只有一个线程执行。

4、解决办法：互斥锁

金手指：
原因：造成操作的原子性被破坏的原因是线程切换
解决方式：禁止CPU中断（操作系统做线程切换是依赖CPU中断的，所以禁止CPU发生中断能够禁止线程切换）
Java禁止CPU中断的两种方式：同步阻塞synchronized和非同步阻塞CAS

同步阻塞synchronized和非同步阻塞CAS是如何保证原子性的？

1. 保证加锁才进入临界区
   解释：一定要线程安全才能进来 cas和synchronized都可以保证，cas一定要current==real才能进来，synchronized一定要获取到同步锁才能进来
2. 保证走完临界区代码解锁
   解释：里面的不出去，外面的不能进来，cas这里return next;之前都没有改变数据，所以里面的没出去，外面的不能进来；synchronized也可以保证这一点，里面的不执行完不释放锁，外面的进不来

4.2 锁模型理论，解决原子性问题

4.2.1 简易的锁模型

所有的原子性(synchronzied lock cas)都是保证这两点：
第一，保证加锁才进入临界区
第二，保证走完临界区代码解锁

对于上图锁模型的解释：

第一，保证加锁才进入临界区：线程进入临界区之前，首先尝试加锁lock(),如果成功，则进入临界区，此时我们称这个线1程持有锁；否则就等待，直到持有锁的线程解锁；

第二，保证走完临界区代码解锁：持有锁的线程执行完临界区的代码后，执行解锁unlock()

4.2.2 改进后的锁模型(添加锁对象和受保护资源)

对于上图改进后的锁模型的解释：

第一，在临界代码中，增加了受保护的资源R（解释：R 表示Resource）；
第二，为了保护资源R就得为它创建一把锁LR（解释：LR 表示 Lock for Resource）；
第三，对于新创建的锁LR，需要在进出临界区时添上加锁和解锁操作，即lock(LR)操作和unlock(LR)操作。

4.3 实践锁模型，synchronized五种用法

public class X {
    //修饰非静态方法
    synchronized void foo() {
        //临界区
    }

    //修饰静态方法
    synchronized static void bar() {
        //临界区
    }

    //修饰代码块
    Object obj = new Object();

    void baz() {
        synchronized (obj) {
            //临界区
        }
    }
}

synchronized修饰静态方法相当于

class X {
   	//修饰静态方法
	synchronized(X.class) static void bar() {
        //临界区
	}
}

synchronized修饰非静态方法相当于

class X {
   	//修饰静态方法
	synchronized(this) void bar() {
        //临界区
	}
}

小结：synchronized可以修饰静态方法或静态代码块，同步锁是所在类的.class字节码对象；
synchronized可以修饰非静态方法或非静态代码块，同步锁是所在类的当前对象this；
synchronized可以修饰非静态代码块，同步锁是任意Object对象；

注意，方法上锁，要么this要么字节码对象，不能Object对象就好。

一共五种，小结如下表格：

修饰目标		锁
方法	实例方法	当前实例对象(即方法调用者)
	静态方法	类对象
代码块	this	当前实例对象(即方法调用者)
	class对象	类对象
	任意Object对象	任意示例对象

4.4 附加1：用synchronized解决count+1问题（锁：资源从1:1到N:1）

4.4.1 锁和受保护资源的关系是1:1关系（使用层面,不重要,两个锁保护一个资源,两个临界区没有互斥关系）

class SafeCalc {
    long value = 0L;

    synchronized long get() {
        return value;      // 获取临界资源用synchronized包裹一次，读内存变量是一步操作，但是这里是long,long和double是64位，每次读32位，所有就不是原子操作了，所以要用synchronized包裹一次，防止被另一个线程调用addOne()打断
    }

    synchronized void addOne() {
        value += 1;     // value=value+1，三步操作，一定要用synchronized，防止被另一个线程调用get()打断
    }
 }

大体的模型如下：

线程并发两要素：多线程，同步锁，这里一个锁锁住一个变量value，起到原子化的作用，所以没有并发安全问题。

4.4.2 锁和受保护资源的关系是N:1关系（使用层面,不重要,两个锁保护一个资源,两个临界区没有互斥关系）

受保护资源和锁之前的关联关系是N：1的关系。

重写修改上面的代码

class SafeCalc {
    long value = 0L;

    synchronized long get() {
        return value;
    }

    synchronized static void addOne() {
        value += 1;
    }
}

大体的模型如下：

注意：这个时候的问题就是两个锁保护一个资源。因此这两个临界区没有互斥关系，临界区addOne()对value的修改对临界区get()也没有可见性保证，这就导致并发问题

线程并发两要素：多线程，同步锁，这里两个锁锁住一个变量value，没有起到隔离作用，所以有并发安全问题。

4.4.3 锁:资源=1:N，用一把锁保护多个资源(使用层面,但是使用得少,属于同步锁对象高级用法,面试有区分度,重要)

4.4.3.1 一把锁保护多个资源：保护没有关联关系的多个资源

账号余额和账号密码没有关联关系

class Account {
    // 锁：保护账户余额
    private final Object balLock = new Object();
    // 账户余额
    private Integer balance;
    // 锁：保护账户密码
    private final Object pwLock = new Object();
    // 账户密码
    private String password;

    // 取款
    void withdraw(Integer amt) {
        synchronized (balLock) {
            if (this.balance > amt) {
                this.balance -= amt;
            }
        }
    }

    // 查看余额
    Integer getBalance() {
        synchronized (balLock) {
            return balance;
        }
    }

    // 更改密码
    void updatePassword(String pw) {
        synchronized (pwLock) {
            this.password = pw;
        }
    }

    // 查看密码
    String getPassword() {
        synchronized (pwLock) {
            return password;
        }
    }
}

4.4.3.2 造成问题：一把锁保护多个资源：保护有关联关系的多个资源（银行转账的问题）

class Account {
    private int balance;

    // 转账
    synchronized void transfer(Account target, int amt) {
        if (this.balance > amt) {
            this.balance -= amt;
            target.balance += amt;
        }
    }
}

大体的模型如下：

上面的代码的问题出在this这把锁上，this这把锁可以保护自己余额this.balance，却保护不了别人的余额target.balance,就像你不能用自家的锁来保护别人家的资产，也不能用自己的票保护别人的座位一样。

4.4.3.3 解决方式：一把锁保护有关联关系的多个资源（银行转账的问题）

再次修改上面的代码(下面的代码存在串行化的操作)

class Account {
    private int balance;

    // 转账
    synchronized void transfer(Account target, int amt) {
        synchronized(Account.class){
             if (this.balance > amt) {
                 this.balance -= amt;
                 target.balance += amt;
       		}
        }
    }
}

总结：首先要分析多个资源之间的关系。
如果资源资源之间没有关系，很好处理，每个资源一把锁就可以了。
如果资源之间有关联关系，就要选择一个粒度更大的锁，这个锁应该能够覆盖所有相关的资源。
原子性的本质：操作的中间状态对外不可见。

金手指：如果使用一把锁保护多个资源？
首先要分析多个资源之间的关系。
如果资源资源之间没有关系，很好处理，每个资源一把锁就可以了。
如果资源之间有关联关系，就要选择一个粒度更大的锁，这个锁应该能够覆盖所有相关的资源。

4.5 附加2：死锁问题

4.5.1 死锁的引入：银行转账的问题

对于上面，使用synchronize加一个this锁，可以保护this.balance但是无法保护target.balance，所以内部加一个synchronized(Xxx.class)静态锁，解决了这个问题，但是在现实生活中，没有办法锁住整个字节码对象。

在现实生活中，假设银行在给我能做转账时，要去文件架上把转出账本和转入账本都拿到手，然后做转账。会出现三种情况

（1）文件架上恰好有转出账本和转入账本，那就同时拿走；

（2）如果文件加上只有转出和转入账本之一，那这个柜员就先把文件架上有账本拿到手，同时等着其他柜员把另一个账本送回来；

（3）转出账本和转入账本都没有，那这个柜员就等着两个账本都被送回来。

即现实生活中使用两个锁对象synchronized(this)和synchronized(target)来加锁两个资源this.balance和target.balance，不能使用synchronized(Xxx.class)，这种静态锁只有理论意义，在现实中模拟不出来，真正模拟出来就是同时锁住两个账本，但现实中一般不这么做。

于是我们将代码改成如下：

class Account {
    private int balance;

    // 转账
    synchronized void transfer(Account target, int amt) {
        //锁定转出账户
        synchronized(this){
            //锁定转入账户
            synchronized(target){
                 if (this.balance > amt) {
            		this.balance -= amt;
            		target.balance += amt;
       			}
            }
        }
    }
}

这样的代码会发生新的问题，就是死锁的问题

大体模型为：

4.5.2 死锁：银行转账的问题，两次加锁产生死锁

金手指1：两次加锁给死锁创造了条件
代码中两次加锁就会给死锁创造条件，代码中避免这样写，如果真的这样写了，处理处理呢？

概念：一组互相竞争资源的线程互相等待，导致“永久”阻塞的现象。

class Account {
    private int balance;

    // 转账
    synchronized void transfer(Account target, int amt) {
        //锁定转出账户
        synchronized(this){//①
            //锁定转入账户
            synchronized(target){//②
                 if (this.balance > amt) {
            		this.balance -= amt;
            		target.balance += amt;
       			}
            }
        }
    }
}

如何发生死锁（上面的代码）
（1）假设线程T1执行账户A转账账户B的操作，账号A.transfer(账户B)；
（2）同时线程T2执行账户B转账账户A的操作，账户B.transfer(账户A)；
（3）当T1和T2同时执行完①处的代码时，T1获得了账户A的锁(对于T1，this是账户A)而T2获得了账户B的锁（对于T2，this是账户B）
（4）之后T1和T2在执行完②处的代码时，T1试图获取账户B的锁时，发现账户B已经被锁定（被T2锁定），所以T1开始等待
（5）T2则试图获取账户A的锁时，发现账户A已经被锁定（被T1锁定），所以T2也开始等待

死锁的产生条件
（1）互斥，共享资源X和Y只能被一个线程占用；
（2）占有且等待，线程T1已经取得共享资源X，在等待共享资源Y的时候，不释放共享资源X
（3）不可抢占，其他线程不能强行抢占线程T1占有的资源
（4）循环等待，线程T1等待线程T2占有的资源，线程T2等待线程T1占有的资源，就是循环等待。

4.5.3 解决方式：死锁解决办法（破坏四个条件的其中之一）

4.5.3.1 最常见：破坏占有且等待条件（一次性申请所有资源）

class Allocator {
	private List<Object> als = new ArrayList<>();    // 仅仅一个局部变量而已，没有用
	// 一次性申请所有资源  synchronized加锁，原子化 als.add(from); als.add(to);
	synchronized boolean apply(Object from, Object to){
		if(als.contains(from) || als.contains(to)){
			return false;
		} else {
			als.add(from);
			als.add(to);
    	}
		return true;
    }
	// 一次性归还所有资源  synchronized解锁，原子化 als.remove(from); als.remove(to);
	synchronized void free(Object from, Object to){
		als.remove(from);
		als.remove(to);
	}
}
class Account {
	// actr 应该为单例
	private Allocator actr;
	private int balance;
	// 转账
	void transfer(Account target, int amt){
		// 一次性申请转出账户this和转入账户target，直到成功
		while(!actr.apply(this, target));
		try{
			// 锁定转出账户
			synchronized(this){
				// 锁定转入账户
				synchronized(target){
					if (this.balance > amt){
						this.balance -= amt;
						target.balance += amt;
					}
				}
			}
		} finally {
			actr.free(this, target)
		}
	}
}

解释上面的代码：

1. 从Account类来看：会造成死锁的代码（synchronized(this) synchronized(target) ）放在了while(!actr.apply(this, target)); 和 actr.free(this, target)；中间，包裹一起来。
   while(!actr.apply(this, target));加锁，使用synchronized保证只有一个线程进来，在该线程执行完成之前，其他的线程都不能进来，然后执行会发生死锁的代码（只有一个线程就不会死锁了），执行完成后解锁。

2. 从Allocator类来看：同时申请资源apply()和同时释放资源free()。账户Account类里面持有一个Alloctor的单例(必须是单例，只能由一个人分配资源)。当账户Account在执行转账的时候，首先向Allocator同时申请转出账户和转入账户这两个资源，成功后再锁定这两个资源，当转账执行完，释放锁之后，我们需要通知Allocator同时释放转出账户和转入账户这两个资源。

问题：自旋带来的cpu消耗
一次性申请转出账户和转入账户，直到成功
while(!actr.apply(this, target));
如果上面的代码的执行时间非常短，这个方案是可行的，如果操作耗时长，这样CPU的空转的时间会大大的提升。

解决办法（等待-通知机制）
如果线程要求的条件(转出账本和转入账本同在文件架上)不满足，则线程阻塞自己，进入等待状态；当线程要求的条件(转出账本和转入账本同时在文件架上)满足后，通知等待的线程重新执行。
一个完整的等待-通知机制：
线程首先获取互斥锁，当线程要求的条件不满足时，释放互斥锁，进入等待状态；当要求的条件满足时，通知等待的线程，重新获取互斥锁。

4.5.3.2 破坏不可抢占条件

能够主动释放它占有的资源。synchronized不支持，后面会说JUC下面的包会支持

4.5.3.3 破坏循环等待条件，按序申请资源

破坏这个条件，需要对资源进行排序，然后按序申请资源

class Account {
	private int id;
	private int balance;
	// 转账
	void transfer(Account target, int amt){
		Account left = this; //①
		// 就是对申请资源定义顺序，任何线程都按这个顺序来，如下：

		// 设A线程id<B线程id,A线程进来，A线程为left,B线程为right,
		// 符合条件就交换，这里不符合条件
		// 最后先加锁left A线程，再加锁right B线程

		// 设A线程id<B线程id,B线程进来，B线程为left,A线程为right,
		// 符合条件就交换：这里A线程设置为left,B线程设置为right
		// 最后先加锁left A线程，再加锁right B线程

		Account right = target; //②
		if (this.id > target.id) { //③
			left = target; //④
			right = this; //⑤
		} //⑥
		// 锁定序号小的账户
		synchronized(left){
			// 锁定序号大的账户
			synchronized(right){
				if (this.balance > amt){
					this.balance -= amt;
					target.balance += amt;
				}
			}
		}
	}
}

上述代码中，将原来的

     synchronized(this){
		   synchronized(target){

修改为

	 synchronized(left){
			synchronized(right){

如何来按照顺序申请资源，即对申请资源定义顺序，任何线程都按这个顺序来，如下：
第一，设A线程id<B线程id,A线程进来，A线程为left,B线程为right,符合条件就交换，这里不符合条件，最后先加锁left A线程，再加锁right B线程；
第二，设A线程id<B线程id,B线程进来，B线程为left,A线程为right,符合条件就交换：这里A线程设置为left,B线程设置为right，最后先加锁left A线程，再加锁right B线程。

4.6 附加3：线程通信，synchronized等待队列：wait()、notify()、notifyAll()

当一个线程进入临界区后，由于某些条件不满足（解释：就是我们的标志位不满足），需要进入等待状态。注意，这个等待队列和互斥锁是一对一的关系，每个互斥锁都有自己独立的等待队列。

第一，当调用wait()方法后，当前线程就会被阻塞，并且当前线程会进入到右边的等待队列中，这个等待队列也是互斥锁的等待队列。线程在进入等待队列的同时，会释放持有的互斥锁，线程释放后，其他线程就会有机会获得锁，并进入临界区。

第二，当条件满足时调用notify(),会通知等待队列（互斥锁的等待队列）中的线程，告诉它条件曾经满足过，将该线程出等待队列。

注意：因为notify()只能保证在通知时间点，条件是满足的。但是，被通知线程的执行时间和通知的时间点基本不会重合，所以当被通知的线程执行的时候，很可能条件已经不满足了（就是被其他同类竞争者线程插队了），被通知的线程要重新执行，仍然需要获取到互斥锁（因为插入到等待队列的时候已经释放同步锁了），notify()仅仅帮助这个线程从等待队列中逃离了而已。

大体模型如下：

即：wait()将一个线程进入等待队列，阻塞，不参与同步锁的竞争；
notify()将一个线程退出等待队列，唤醒，重新参与同步锁的竞争。

重写刚才的例子

class Allocator {
	private List<Object> als;
	// 一次性申请所有资源
	synchronized void apply(Object from, Object to){
		// 经典写法
		while(als.contains(from) ||als.contains(to)){
			try{
				wait();   // 这里wait()
			}catch(Exception e){
			}
		}
		als.add(from);
		als.add(to);
	}
	// 归还资源
	synchronized void free(Object from, Object to){
		als.remove(from);
		als.remove(to);
		notifyAll();   // 这里多加一个notifyAll()
	}
}

金手指：

 // 一次性申请所有资源  synchronized加锁
	synchronized boolean apply(Object from, Object to){
		if(als.contains(from) || als.contains(to)){
			return false;
		} else {
			als.add(from);
			als.add(to);
    	}
		return true;
    }
	// 一次性归还所有资源  synchronized解锁
	synchronized void free(Object from, Object to){
		als.remove(from);
		als.remove(to);
	}

tip1:lock有公平锁和非公平锁，synchronized只有非公平锁，lock实现公平加锁的底层是同步队列AQS，不是非循环单链表等待队列，等待队列synchronized也有。
tip2:
在lock中，同步队列FIFO保证加锁公平，等待队列FIFO保证阻塞唤醒公平；
在synchronized中，加锁解锁是抢占式非公平的，但是等待队列FIFO保证唤醒阻塞是公平，但是唤醒不保证可以公平地竞争到同步锁。

五、总结（宏观的角度）

5.1 存在共享数据并且该数据会发生变化，通俗地讲就是有多个线程同时读写同一个数据。

5.2 并发的问题主要是三个方面：安全性问题、活跃性问题、性能问题

5.2.1 安全性问题

1、本质的问题：程序按照我们期望的执行。

2、数据竞争：当多个线程同时访问同一数据，并且至少有一个线程会写这个数据的时候，如果我们不采取防护措施，那么就会导致并发的Bug。

3、竞态条件：程序的执行结果依赖线程执行的顺序。

4、上面的两种问题，都可以通过互斥这个技术方案，而实现互斥的方案有很多，CPU提供了相关的互斥指令，操作系统、编程语言也会提供相关的API锁。

5.2.2 活跃性问题

1、死锁：线程会互相等待，而且会一直等待下去，在技术上表现就是线程永久的阻塞

2、活锁：线程没有阻塞，但仍然会存在执行不下去的情况。（尝试等待一个随机时间就可以了）

3、 饥饿：线程因无法访问所需资源而无法执行下去的情况。（不患寡，而患不均）（解决办法：保证资源充足，公平地分配资源，避免持有锁的线程长时间执行。）

5.2.3 性能问题

1、尽量使用无锁 算法和数据结构

2、减少锁持有的时间

3、衡量标准
（1）吞吐量：单位时间内能处理的请求数量
（2）延迟：从发出请求到收到响应的时间
（3）并发量：同时处理的请求数量，随着并发量的增加、延迟也会增加。）

六、面试金手指(原理层面:谈一谈你对并发的了解)

6.1 优化性能造成线程三个特性的破坏

CPU与内存：缓存，CPU增加了缓存，以均衡与内存的差异；（但是带来可见性问题）
CPU与IO设备：进程、线程，操作系统增加了进程、线程，以分时复用CPU，进而均衡CPU与I/O设备的速度差异；（但是带来原子性问题）
编译程序指令重排序，编译程序优化指令执行次序，使得缓存能够得到更加合理的利用。（但是带来有序性问题）

6.2 解释缓存是如何造成可见性问题的，cpu分时时间片是如何造成原子性问题的，指令重排序是如何造成有序性问题的

金手指：一句话小结缓存在多线程下的可见性问题
1、单核cpu，只有一个cpu，所以只有一个缓存，所有的内存都是使用这个缓存，一旦缓存内存修改，所有cpu都可见，没有可见性问题
2、多核cpu，有多个cpu，每一个cpu中一个缓存，所以n个cpu就有n个缓存，n个缓存与同一个主存交互数据，主存中的数据对于所有缓存可见，但是不同缓存之间的数据是不可见的
单线程下，缓存从主存中拿数据，运算，然后再存入主存，没有问题
多线程下，两个线程使用两个不同的cpu，两个cpu缓存都从主存中拿数据，运算，然后再存入主存，这个过程中，每一个线程都是基于自己CPU缓存里的count值来计算，但是自己的缓存数据的修改只有自己可见，造成可见性问题
从 CPU-缓存-主内存 到 执行引擎-工作内存-主内存，
对于JMM，就是各个线程之间的工作内存不可见，所以造成可见性问题。

金手指：一句话解析分时时间片在多线程下的原子性问题
1、如果操作系统不支持分时使用CPU，即必须一个进程执行完成之后之后，再执行下一个进程，每一个进程的执行都不会被打断，每一个进程的执行都是原子的，不存在原子性问题。
2、如果操作系统支持分时使用CPU，一个进程执行读写磁盘或者读写内存的时候，会把CPU让出来，让给其他进程使用，如果获得CPU使用权的进程和当前进程修改同一变量，造成安全问题，该问题归根结底是因为打断了对一个变量读写的原子操作。
从 CPU-主内存 到 执行引擎-工作内存-主内存，
对于JMM，就是各个线程之间的工作内存访问主内存的操作无法原子化，所以造成原子性问题。

金手指：一句话小结指令重排序在多线程下的有序性问题（懒汉式单例的双层if判断为例）
1、不使用指令重排序，单线程和多线程下没有线程安全问题
单线程不必多说，多线程下也是安全的（因为一定要第三步赋值给instance变量）
举例：线程A执行到第二步，假设被线程B线程切换，当然不会被切换，因为我们使用synchronized ，在instance没有完成赋值操作之前，线程A不会释放同步锁，所以线程B根本进不来。
所以，按照这个三步骤，可以保证多线程安全
2、使用指令重排序，单线程下没问题，多线程下线程安全问题
由于instance = new Singleton();底层对应的指令重排序，所以线程A第二步就是instance=&M，因为完成了对instance对象的修改，就会释放同步锁，就会被切换到线程B，这时instance==&M，因为instance已经被赋值修改，不再是null，所以线程B不会再执行自己的instance=new Singleton三步骤了，但是线程B看到M内存中没有初始化的Singleton对象，出错
从 CPU-缓存-主内存 到 执行引擎-工作内存-主内存，
对于JMM，就是各个线程之间的执行引擎 指令重排序，所以造成有序性问题。

6.3 Java处理可见性和有序性问题(原因、解决方式、volatile、happen-before、final、synchronized)

有序性根本原因：缓存导致可见性，编译优化导致有序性。
有序性解决办法：禁用缓存和编译优化。如果全部的禁用缓存和编译优化，那我们的程序的性能会很差。我们需要的是按需禁用缓存以及编译优化。

保证可见性不被破坏，就要禁用缓存，强制cpu运算器需要数据的时候直接从主存中拿，因为主存只有一块，对所有的线程都是可见的，从主存中拿就可以保证数据修改对所有线程可见，就解决了可见性问题。但是，不能对所有的变量都禁用缓存，会效率低下。

Java规定，对于使用volatile关键字修饰的变量，cpu对其读写，强制在主存中操作。但是，哪些变量需要使用volatile关键字修饰呢？这就是Java程序员的工作了，其实就是多线程临界区中使用的那些变量，一般只有一个或几个。

volatile保证可见性：告诉编译器，对这个变量的读写，不能使用CPU缓存，必须从内存中读取和写入。

1. 程序次序规则：在一个线程中，按照程序顺序，前面的操作Happens-Before于后续的任何操作。（解释：同一个线程中，或单线程下，有序性不变，执行顺序就是编写顺序）

2. volatile变量规则：对一个volatile编程的写操作，Happens-Before于后续对这个volatile变量的读操作。（解释：volatile强制保证有序性，作为happen-before 8条中的一条）

3. 传递规则：如果A Happens-Before B，且B Happens-Before C，那么A Happens-Before C。（解释：没啥好说的）

4. 锁定规则：对一个锁的解锁Happens-Before与后续对这个锁的加锁。（解释：上一个先解锁，下一个才能加锁，为保证一定解锁，解锁一般放在finally里面）

5. 线程启动规则：如果线程A调用线程B的start()方法(即在线程A中启动线程B),那么该start()操作Happens-Before线程B中的任意操作。（解释：start()在启动线程之前）

6. 线程终结规则：如果在线程A中，调用线程B的join()并成功返回，那么线程B中的任意操作Happens-Before于该join()操作的返回。（解释：join()返回在所有操作之后）

7. 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用Happens-Before被中断线程的代码检测到中断事件的发生（解释：interrupt()早于中断线程）

8. 对象终结规则：一个对象的初始化完成Happens-Before他的finalize()方法的开始。（解释：finalize()一定在结束对象之前）

JVM中五种线程安全级别：不可变、绝对线程安全、相对线程安全、线程兼容和线程对立，不可变是最高级别的线程安全，和常量一样，使用final修饰变量就是达到不可变
final修饰变量是，初衷是告诉编译器：这个变量生而不变，可以可劲儿优化。

附加：synchronized同时保证原子性、有序性、可见性

6.4 Java处理原子性问题（原因、解决方式、两种方式和保证原子性的原因）

原因：造成操作的原子性被破坏的原因是线程切换

解决方式：禁止CPU中断（操作系统做线程切换是依赖CPU中断的，所以禁止CPU发生中断能够禁止线程切换）

Java禁止CPU中断的两种方式：同步阻塞synchronized和非同步阻塞CAS

保证原子性的原因：同步阻塞synchronized和非同步阻塞CAS是如何保证原子性的？

1. 保证加锁才进入临界区
   解释：一定要线程安全才能进来 cas和synchronized都可以保证，cas一定要current==real才能进来，synchronized一定要获取到同步锁才能进来
2. 保证走完临界区代码解锁
   解释：里面的不出去，外面的不能进来，cas这里return next;之前都没有改变数据，所以里面的没出去，外面的不能进来；synchronized也可以保证这一点，里面的不执行完不释放锁，外面的进不来

6.5 附加1：锁与资源三种对应关系(锁:资源=1:1 N:1 1:N)

金手指：如果使用一把锁保护多个资源？
首先要分析多个资源之间的关系。
如果资源资源之间没有关系，很好处理，每个资源一把锁就可以了。
如果资源之间有关联关系，就要选择一个粒度更大的锁，这个锁应该能够覆盖所有相关的资源。

6.6 附加2：死锁问题（四个条件和三个解决方式）

金手指1：两次加锁给死锁创造了条件
代码中两次加锁就会给死锁创造条件，代码中避免这样写，如果真的这样写了，处理处理呢？
三种方式：破坏请求与等待条件（最常用：一次性申请资源）、破坏不可抢占条件（synchronized不支持，不能抢其他人手里的资源）、破坏循环等待条件（有序申请资源）
其中，互斥条件无法被破坏 （共享资源X和Y只能被一个线程占用，无法改变）

一次性申请资源：

1. 从Account类来看：会造成死锁的代码（synchronized(this) synchronized(target) ）放在了while(!actr.apply(this, target)); 和 actr.free(this, target)；中间，包裹一起来。
   while(!actr.apply(this, target));加锁，使用synchronized保证只有一个线程进来，在该线程执行完成之前，其他的线程都不能进来，然后执行会发生死锁的代码（只有一个线程就不会死锁了），执行完成后解锁。

2. 从Allocator类来看：同时申请资源apply()和同时释放资源free()。账户Account类里面持有一个Alloctor的单例(必须是单例，只能由一个人分配资源)。当账户Account在执行转账的时候，首先向Allocator同时申请转出账户和转入账户这两个资源，成功后再锁定这两个资源，当转账执行完，释放锁之后，我们需要通知Allocator同时释放转出账户和转入账户这两个资源。

问题：自旋带来的cpu消耗
一次性申请转出账户和转入账户，直到成功
while(!actr.apply(this, target));
如果上面的代码的执行时间非常短，这个方案是可行的，如果操作耗时长，这样CPU的空转的时间会大大的提升。

解决办法（等待-通知机制）
如果线程要求的条件(转出账本和转入账本同在文件架上)不满足，则线程阻塞自己，进入等待状态；当线程要求的条件(转出账本和转入账本同时在文件架上)满足后，通知等待的线程重新执行。
一个完整的等待-通知机制：
线程首先获取互斥锁，当线程要求的条件不满足时，释放互斥锁，进入等待状态；当要求的条件满足时，通知等待的线程，重新获取互斥锁。

破坏循环等待条件，自定义申请资源顺序，任何线程都按这个来

将原来的

     synchronized(this){
		   synchronized(target){

修改为

	 synchronized(left){
			synchronized(right){

如何来按照顺序申请资源，即对申请资源定义顺序，任何线程都按这个顺序来，如下：
第一，设A线程id<B线程id,A线程进来，A线程为left,B线程为right,符合条件就交换，这里不符合条件，最后先加锁left A线程，再加锁right B线程；
第二，设A线程id<B线程id,B线程进来，B线程为left,A线程为right,符合条件就交换：这里A线程设置为left,B线程设置为right，最后先加锁left A线程，再加锁right B线程。

6.7 附加3：线程通信，synchronized等待队列：wait()、notify()、notifyAll()

1. 辨析wait() notify()的底层作用
   wait()将一个线程进入等待队列，阻塞，不参与同步锁的竞争；
   notify()将一个线程退出等待队列，唤醒，重新参与同步锁的竞争。

2. 辨析lock synchronized的底层区别
   （1）lock有公平锁和非公平锁，synchronized只有非公平锁，lock实现公平加锁的底层是同步队列AQS，不是非循环单链表等待队列，等待队列synchronized也有。
   （2）在lock中，同步队列FIFO保证加锁公平，等待队列FIFO保证阻塞唤醒公平；
   在synchronized中，加锁解锁是抢占式非公平的，但是等待队列FIFO保证唤醒阻塞是公平，但是唤醒不保证可以公平地竞争到同步锁。

6.8 并发三个问题

安全性问题
1、本质的问题：程序按照我们期望的执行。
2、数据竞争：当多个线程同时访问同一数据，并且至少有一个线程会写这个数据的时候，如果我们不采取防护措施，那么就会导致并发的Bug。
3、竞态条件：程序的执行结果依赖线程执行的顺序。
4、上面的两种问题，都可以通过互斥这个技术方案，而实现互斥的方案有很多，CPU提供了相关的互斥指令，操作系统、编程语言也会提供相关的API锁。

活跃性问题
1、死锁：线程会互相等待，而且会一直等待下去，在技术上表现就是线程永久的阻塞
2、活锁：线程没有阻塞，但仍然会存在执行不下去的情况。（尝试等待一个随机时间就可以了）
3、 饥饿：线程因无法访问所需资源而无法执行下去的情况。（不患寡，而患不均）（解决办法：保证资源充足，公平地分配资源，避免持有锁的线程长时间执行。）

性能问题
1、尽量使用无锁 算法和数据结构
2、减少锁持有的时间
3、衡量标准
（1）吞吐量：单位时间内能处理的请求数量
（2）延迟：从发出请求到收到响应的时间
（3）并发量：同时处理的请求数量，随着并发量的增加、延迟也会增加。）

七、小结

原理层面:Java并发的硬件底层支持，完成了。

天天打码，天天进步！！！