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大家好，我是冰河~~
十載的公安網(wǎng)站建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)設(shè)計(jì)、前端、開發(fā)、售后、文案、推廣等六對(duì)一服務(wù)，響應(yīng)快，48小時(shí)及時(shí)工作處理。網(wǎng)絡(luò)營銷推廣的優(yōu)勢(shì)是能夠根據(jù)用戶設(shè)備顯示端的尺寸不同，自動(dòng)調(diào)整公安建站的顯示方式，使網(wǎng)站能夠適用不同顯示終端，在瀏覽器中調(diào)整網(wǎng)站的寬度，無論在任何一種瀏覽器上瀏覽網(wǎng)站，都能展現(xiàn)優(yōu)雅布局與設(shè)計(jì)，從而大程度地提升瀏覽體驗(yàn)。創(chuàng)新互聯(lián)建站從事“公安網(wǎng)站設(shè)計(jì)”,“公安網(wǎng)站推廣”以來，每個(gè)客戶項(xiàng)目都認(rèn)真落實(shí)執(zhí)行。
“原來我之前寫的代碼存在嚴(yán)重的并發(fā)問題，這下我可要好好學(xué)學(xué)并發(fā)編程了，經(jīng)過老大的耐心講解，我已經(jīng)知道了之前代碼出現(xiàn)并發(fā)問題的原因了，也就是多個(gè)線程同時(shí)讀寫共享變量時(shí)，會(huì)將共享變量復(fù)制到各自的工作內(nèi)存中進(jìn)行處理，這樣就會(huì)導(dǎo)致緩存不一致的問題。那怎么解決問題呢？看來還是要向老大請(qǐng)教才行呀！”，小菜認(rèn)真的思考著。
一、情景再現(xiàn)
小菜開發(fā)的統(tǒng)計(jì)調(diào)用商品詳情接口次數(shù)的功能代碼存在嚴(yán)重的線程安全問題，會(huì)導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)出來的結(jié)果數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期結(jié)果，這個(gè)問題困擾了小菜很長時(shí)間，經(jīng)過老王的耐心講解，小菜已經(jīng)明白了出現(xiàn)線程安全問題的原因。但是，作為211、985畢業(yè)的高材生，小菜并不會(huì)止步于此，他可是立志要成為像老王一樣的牛人。所以，他也在思考著解決這些線程安全問題的方案。
二、尋求幫助
盡管小菜思想上很積極，也很主動(dòng)，但是對(duì)于一個(gè)剛剛畢業(yè)的應(yīng)屆生來說，很多知識(shí)不夠系統(tǒng)，也不夠全面，在網(wǎng)上搜索對(duì)應(yīng)的解決方案時(shí)，也不知道哪些信息是正確的，哪些是模棱兩可的。于是，小菜決定還是要請(qǐng)教自己的直屬領(lǐng)導(dǎo)老王。
這天，小菜還是早早的來到了公司等老王的到來。過了一會(huì)兒，他看到老王來到了公司，便主動(dòng)走到老王的工位說：“老大，我現(xiàn)在知道我寫的代碼為什么會(huì)出現(xiàn)線程安全的問題了，但是有哪些方案可以解決這些問題，我現(xiàn)在還不太清楚，可以給我講講嗎？”。
“可以，你拿上筆和本子，我們還是到會(huì)議室說吧”，說著，老王便拿起了電腦，與小菜一起向會(huì)議室走去。
三、并發(fā)問題解決方案
“我們先來從整體上了解下解決并發(fā)問題存在哪些方案，其實(shí)，總體上來說，解決并發(fā)問題可以分為有鎖方案和無鎖方案”，說著老王便打開電腦畫了一張解決并發(fā)問題解決方案的圖，如圖3-1所示。
老王接著說：“看這張圖，解決并發(fā)問題的方案總體上可以分成有鎖方案和無鎖方案，有鎖方案可以分成synchronized鎖和Lock鎖兩種方案，無鎖方案可以分成局部變量、CAS原子類、ThreadLocal和不可變對(duì)象等幾種方案。小菜你先把這張圖記一下，接下來，我們?cè)僖粋€(gè)個(gè)講一下這些方案”。
“好的”，小菜回應(yīng)道。
四、加鎖方案
“好了，我們繼續(xù)講，這里，我們一起講synchronized鎖和Lock鎖，它們統(tǒng)稱為加鎖方案”，老王說道，“像synchronized鎖和Lock鎖，都是采用了悲觀鎖策略，實(shí)現(xiàn)的功能類似，只不過synchronized鎖是通過JVM層面來實(shí)現(xiàn)加鎖和釋放鎖，在使用時(shí)，不需要我們自己手動(dòng)釋放鎖。而Lock鎖是通過編碼方式實(shí)現(xiàn)加鎖和釋放鎖，在使用時(shí)，需要我們自己在finally代碼塊中釋放鎖，我們先來看一段代碼”。說著，老王便在IDEA中噼里啪啦的敲了一段代碼，這段代碼的類是SynchronizedLockCounter。
SynchronizedLockCounter類的源碼詳見：concurrent-design-patterns-immutable工程下的io.binghe.concurrent.design.right.SynchronizedLockCounter。
public class SynchronizedLockCounter {
private int count;
private Lock lock = new ReentrantLock();
public void lockMethod(){
lock.lock();
try{
this.add();
}finally {
lock.unlock();
}
}
public synchronized void synchronizedMethod(){
this.add();
}
private void add(){
count++;
}
}“看這個(gè)類，lockMethod()使用了Lock加鎖和釋放鎖，并且是我們自己在finally代碼塊中手動(dòng)釋放了鎖。而使用synchronized加鎖時(shí)，并沒有手動(dòng)釋放鎖，兩個(gè)方法都具備原子性。這點(diǎn)明白嗎？”。
“明白”，小菜說道。
“好，那接下來，我們?cè)俜治鱿律厦娴拇a，其實(shí)，在執(zhí)行count++操作時(shí)，還是會(huì)分成三個(gè)步驟”。
- 1.從主內(nèi)存讀取count的值。
- 2.將count的值進(jìn)行加1操作。
- 3.將count的值寫回主內(nèi)存。
“使用synchronized和Lock對(duì)方法加鎖，都會(huì)保證上面三個(gè)步驟的原子性，那是怎么保證的呢？我們?cè)賮砜匆粡垐D”，說著老王又畫了一張圖，如圖3-2所示。
“我們結(jié)合這張圖來講”，老王畫完圖對(duì)小菜說道：“假設(shè)現(xiàn)在有線程1和線程2兩個(gè)線程同時(shí)搶占鎖資源，假設(shè)線程1搶占鎖成功后執(zhí)行代碼邏輯，而線程2由于搶占鎖失敗，就會(huì)進(jìn)入等待隊(duì)列，當(dāng)線程1執(zhí)行完代碼邏輯釋放鎖之后，就會(huì)通知等待隊(duì)列中的線程去嘗試重新獲取鎖，如果此時(shí)線程2成功獲取到鎖，就會(huì)執(zhí)行代碼邏輯”。
小菜也是邊聽邊記。
接著老王又說到：“synchronized鎖和Lock能夠保證原子性的原理了解了吧？”。
“了解了”，小菜回應(yīng)道。
“好，你先簡(jiǎn)單消化下，我們接下來簡(jiǎn)單講講局部變量”。
“好的”，小菜在本子上快速的記錄著。
五、局部變量
“好了，我們繼續(xù)講講局部變量吧”，老王說道。
“好的”，小菜回應(yīng)道。
“其實(shí)說起局部變量，它只會(huì)存在于每個(gè)線程的工作線程中，不會(huì)在多個(gè)線程之前共享，所以不會(huì)有線程安全的問題，我們還是看一個(gè)代碼片段”，說著老王又寫了一個(gè)LocalVariable類。
源碼詳見：concurrent-design-patterns-immutable工程下的io.binghe.concurrent.design.right.LocalVariable。
public class LocalVariable {
public void localVariableMethod(){
int count = 0;
count++;
System.out.println(count);
}
}“假設(shè)多個(gè)線程執(zhí)行LocalVariable類的localVariableMethod()方法，只有當(dāng)每個(gè)線程執(zhí)行到int count = 1; 這行代碼時(shí)，才會(huì)在各自線程的工作內(nèi)存中創(chuàng)建count局部變量，并且這個(gè)count變量不會(huì)在多個(gè)線程之間共享”。老王一邊說，一邊畫圖，如圖3-3所示。
“看到圖我明白了”，這個(gè)時(shí)候，小菜說話了：“局部變量只會(huì)存在于每個(gè)線程的工作內(nèi)存中，多個(gè)線程之間根本不會(huì)共享局部變量的值，所以，局部變量是線程安全的”。
“很好，看來對(duì)于局部變量是理解透徹了”，老王微笑著說，“那我們?cè)賮砜纯碈AS原子類”。
六、CAS原子類
“在講CAS原子類之前，我們先來看看什么是CAS，CAS的英文全稱是Compare And Swap，中文就是比較并交換”。
“CAS我知道是怎么回事”，小菜說道：“CAS使用了3個(gè)基本操作數(shù)，需要讀寫的內(nèi)存值 V，進(jìn)行比較的值 A和要寫入的新值 B，當(dāng)且僅當(dāng) V 的值等于 A 時(shí)， CAS 通過原子方式用新值 B 來更新 V 的值，否則不會(huì)執(zhí)行任何操作，并且CAS中的比較和交換是一個(gè)原子操作，一般情況下是一個(gè)自旋操作，也就是會(huì)不斷的重試”。
“很好，小菜，看來你對(duì)CAS已經(jīng)有所了解了”，老王說道。
“嘿嘿，前幾天看過相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)”，小菜撓了撓頭發(fā)。
“好，那我們?cè)僦v講Java中的CAS原子類”，老王繼續(xù)道。
“Java中提供了一系列以Atomic開頭的CAS原子類，它們的并發(fā)性能比較高，可以多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行，并且不會(huì)出現(xiàn)線程安全問題”，說著，老王又寫了一段代碼。
源碼詳見：concurrent-design-patterns-immutable工程下的io.binghe.concurrent.design.right.AtomicIntegerTest。
public class AtomicIntegerTest {
private AtomicInteger atomicIntegerCount = new AtomicInteger(0);
public void add(){
atomicIntegerCount.incrementAndGet();
}
}“在這段代碼中，聲明了一個(gè)AtomicInteger類型的成員變量atomicIntegerCount，并且在add()方法中調(diào)用了atomicIntegerCount的incrementAndGet()方法，此時(shí)無論多少個(gè)線程調(diào)用add()方法，都不會(huì)出現(xiàn)線程安全的問題”。
“這是為什么呢？”，此時(shí)的小菜有點(diǎn)不解，“atomicIntegerCount也是成員變量呀，它會(huì)在多個(gè)線程之前共享，為什么就沒有線程安全問題呢？”。
“別急，我們慢慢來”，老王說道：“其實(shí)答案就在AtomicInteger類的源碼里”，說著老王打開了AtomicInteger類的源碼，如下所示。
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
private volatile int value;“我們先來看這部分代碼”，老王繼續(xù)說，“在AtomicInteger代碼中，會(huì)有一個(gè)Unsafe類的實(shí)例對(duì)象，Unsafe類是JDK中提供的一個(gè)硬件級(jí)別的原子操作類，底層是通過native方法調(diào)用C++代碼實(shí)現(xiàn)的功能，提供了內(nèi)存分配和釋放、線程掛起和恢復(fù)，定位對(duì)象字段的內(nèi)存地址和修改對(duì)象在內(nèi)存地址里的字段值等等一系列的操作，Java中也基于Unsafe類實(shí)現(xiàn)了CAS操作”。
“Unsafe類我在學(xué)校的時(shí)候了解一點(diǎn)，但是具體有點(diǎn)忘記了，今天又想起來了”，小菜說道。
“很好”，老王繼續(xù)說，“我們?cè)偈褂肁tomicInteger類時(shí)，主要是使用里面的CAS操作，就拿AtomicIntegerTest類中，在add()方法里調(diào)用AtomicInteger的incrementAndGet()方法來說吧，最終會(huì)調(diào)用到AtomicInteger類的getAndAddInt()方法”。
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;
}“在getAndAddInt()方法中，首先會(huì)獲取內(nèi)存中的舊值，然后賦值給var5變量，接著會(huì)調(diào)用compareAndSwapInt()方法通過CAS的方式進(jìn)行比較并交換操作，如果操作失敗，就會(huì)進(jìn)入while循環(huán)，直到操作成功。其中，compareAndSwapInt()方法底層調(diào)用的是C++代碼實(shí)現(xiàn)的功能，它能夠保證比較并交換操作的原子性，這樣就能夠避免并發(fā)問題”。老王繼續(xù)說。
“我們?cè)賮砜纯茨阕蛱鞂懙拇a，如果使用AtomicInteger類實(shí)現(xiàn)的話，就不會(huì)出現(xiàn)線程安全問題了”，說著老王又在IDEA中寫下了RightCounter類。
源碼詳見：concurrent-design-patterns-immutable工程下的io.binghe.concurrent.design.right.RightCounter。
public class RightCounter {
private AtomicInteger atomicIntegerCounter = new AtomicInteger(0);
public void accessVisit(){
atomicIntegerCounter.incrementAndGet();
}
public int getVisitCount(){
return atomicIntegerCounter.get();
}
}“這段代碼就不會(huì)出現(xiàn)線程安全問題了，那這段代碼的執(zhí)行流程是啥呢？我們繼續(xù)看一張圖”，說著，老王大手一揮，又畫了一張圖，如圖3-4所示。
“假設(shè)此時(shí)有兩個(gè)線程，分別是線程1和線程2同時(shí)訪問RightCounter類的accessVisit()方法，此時(shí)主內(nèi)存中的visitCount值為0，線程1和線程2同時(shí)對(duì)visitCount的值進(jìn)行累加操作。此時(shí)假設(shè)線程1和線程2都讀取到的visitCount的值都是0，線程1成功執(zhí)行了CAS操作，將visitCount的值由0變更為1。而線程2在執(zhí)行CAS操作時(shí)，發(fā)現(xiàn)此時(shí)內(nèi)存中的visitCount的值是1不是0，所以，線程2會(huì)重新讀取內(nèi)存中的visitCount的值，此時(shí)從內(nèi)存中讀取到的visitCount的值就為1，接下來，就會(huì)將visitCount的值由1變更為2，這樣就得出了正確的結(jié)果。這里，明白了嗎”？老王問小菜。
“明白了”，小菜回答道。
“好，我們?cè)賮碇v講ThreadLocal”。
七、ThreadLocal
“ThreadLocal其實(shí)很簡(jiǎn)單，沒有想象的那么復(fù)雜。ThreadLocal本質(zhì)上也是在每個(gè)線程里存儲(chǔ)一份數(shù)據(jù)的副本，這個(gè)數(shù)據(jù)副本不會(huì)在多個(gè)線程之間共享，互不影響，還是來看圖”。老王是真牛，又要畫圖了，如圖3-5所示。
畫完圖，老王繼續(xù)說：“按照?qǐng)D來說，假設(shè)我們現(xiàn)在定義了一個(gè)名字為count的ThreadLocal類，它會(huì)在每個(gè)線程中復(fù)制一份Integer對(duì)象，但是每個(gè)線程復(fù)制的Integer對(duì)象，并不是同一個(gè)對(duì)象，每個(gè)對(duì)象只會(huì)被一個(gè)線程操作。在多個(gè)線程之間不存在共享變量，自然就不會(huì)有線程安全問題”。
“噢，ThreadLocal理解起來確實(shí)比較簡(jiǎn)單，這個(gè)我學(xué)會(huì)了”，小菜興奮的說。
“很好，小菜，那我們?cè)僦v講不可變對(duì)象？能消化吧？”。
“好的，能消化”。。。
八、不可變對(duì)象
“不可變對(duì)象，從其名字就可以看出，說的是這個(gè)對(duì)象一經(jīng)創(chuàng)建，對(duì)外的一些狀態(tài)就不會(huì)再發(fā)生變化了，如果一個(gè)對(duì)象是不變的，無論有多少個(gè)線程來訪問它，它也不會(huì)變化。連對(duì)象都不變了，那它肯定就是線程安全的了”。
“這里有點(diǎn)聽不懂”，小菜說道。
“不急，我們來舉個(gè)例子”，老王說道，“比如，我們?cè)陂_發(fā)過程中，經(jīng)常式使用的字符串對(duì)象，本質(zhì)上就是一個(gè)不可變對(duì)象，例如，String name = 'xiaocai'，我們說的字符串是'xiaocai'這個(gè)字符串，而不是指的引用’xiaocai‘ 字符串的name變量，哪怕對(duì)'xiaocai'這個(gè)字符串進(jìn)行了一系列的操作，例如拼接了其他的字符串，得到了一個(gè)新的字符串'good morning, xiaocai', 原來的'xiaocai'這個(gè)字符串也不會(huì)發(fā)生變化，這樣說明白了嗎？”。
“明白了，我記一下”。
“好，今天講的知識(shí)點(diǎn)有點(diǎn)多，自己要好好總結(jié)和消化下啊”，老王對(duì)小菜說。
“好的，我先記一下，下班后回去后，我再好好總結(jié)和思考下”，小王說到。
“好，那我們出去吧”。
“好的”。
二人一起走出了會(huì)議室，小菜今天又學(xué)到了不少知識(shí)。
九、本章總結(jié)
本章，主要以老王的視角為小菜，介紹了解決并發(fā)問題的常見方案。首先，從總體上介紹了并發(fā)問題的解決方案。接下來，以此介紹了加鎖方案、局部變量、CAS原子類、ThreadLocal和不可變對(duì)象。這些方案都能夠解決線程的安全問題，主人公小菜今天又學(xué)到了不少知識(shí)。
網(wǎng)站欄目：掌握這些套路，你也能順利解決并發(fā)問題
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