Java并发
java内存模型(JMM)
JMM模型下，每个线程都有自己的本地内存，线程对内存的操作也是先操作本地内存。
之后才将本地内存的数据刷新到主内存里，让各个线程更新共享。
内存屏障
- 读读屏障：确保读1读取数据后才进行读2
- 写写屏障：确保写1其他线程可见后才写2
- 读写屏障：确保读之后才写
- 写读屏障：确保写其他线程可见后才读
volatile
volatile通过写写屏障，确保volatile变量写入后能立即被其他线程可见，并且后面的写不会在volatile之前写入。
以及双重检查锁定与延迟初始化问题。
final
final通过写写屏障，确保final变量写入后能立即被其他线程可见。
并且final变量的写入早于对象的赋值写入，确保拿到该对象的线程的final变量已经完成初始化。
所以如果在构造函数里向其他线程传递this，可能会导致final溢出。
synchronized
java对象的内存结构分为三部分：对象头、实例数据、对其填充。
其中对象头又由markWord、类型指针、数组长度构成。
其中markWord保存着锁标志位和是否偏向锁，分别表示锁的状态是无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。
而synchronized在这三种锁的升级叫做锁膨胀。
偏向锁
- 当锁对象第一次被线程获取时，锁标记位为偏向锁
- 通过CAS把markWord的线程ID指向自己，以后进入锁只需要检查markWord的线程ID是不是指向自己即可
- 如果线程ID不是当前线程，则证明已经有其他线程占有这个偏向锁，等持锁线程到达安全点后挂起线程。
如果持锁线程未活动或者已退出同步块，则撤销偏向锁为无锁，唤醒原持锁线程继续执行。
如果持锁线程还在同步代码块，升级为轻量级锁。对持锁线程执行轻量级锁获取锁过程，唤醒持锁线程继续执行。
获取轻量级锁
- 如果对象为无锁或者轻量级锁，在线程的栈帧里创建一个锁记录的空间，用于保存锁对象的markWord
- 通过CAS把锁对象的markWord更新为栈帧里锁记录的指针，如果成功则获取锁，并且将锁记录的锁标记位修改为轻量级锁
- 如果失败，意味着markWord已经被修改过，检查markWord是否指向自己的锁记录，如果是则是重入，获取锁成功
- 如果失败则证明发生了竞争，自适应自旋CAS修改锁记录指针。
自适应自旋会根据以前自旋成功率来决定自旋次数，越成功自旋越多，否则可能取消自旋直接挂起。 - 如果自旋修改失败，升级为重量级锁。锁标记位修改为重量级锁，markWord指向
monitor对象指针，线程进入阻塞状态
释放轻量级锁
- 通过CAS把锁记录的markWord复制回锁对象，成功则释放锁成功，锁标记恢复为无锁
- 如果失败则证明已经升级为重量级锁，释放锁后唤醒阻塞线程
重量级锁
每个锁对象其实都是一个监视器锁monitor对象，监视器锁会记录进入数，来实现锁重入。
在同步代码块里，字节码是通过monitorenter指令获取监视器锁的所有权，和monitorexit指令释放所有权。
在同步方法里，字节码是通过ACC_SYNCHRONIZED标识，来给JVM标记要去获取监视器锁。
而监视器锁是依赖操作系统的互斥量mutex，需要将线程从用户态切换到内核态。
获取锁失败的线程会被放到一个同步队列里面。
如果释放锁的时候刚好有线程取锁，操作系统会将锁给这个线程，所以重量级锁是非公平锁。
同时wait()、notify()方法也是依赖于监视器锁，所以调用需要在同步块里。
锁消除
JVM通过逃逸分析发现某些对象不会发生并发问题，但却加了锁，会去除这个锁。
锁优化
- 读写锁
- 锁粗化：避免反复获取锁，在锁的范围扩大，一次锁处理更多东西
- 减少锁的颗粒度
- 减少锁的持有时间
队列同步器
队列同步器（AbstractQueuedSynchronizer）是实现各种Lock和并发工具的核心。
队列同步器最主要是通过一个volatile的int变量来表示锁状态，和维护一个队列用于保存等待锁的线程。
一般我们是通过继承队列同步器，去重写他的模板方法，在模板方法里通过CAS去修改锁状态。
模板方法分为两类，独占式和共享式。
| 锁标记方法 | 功能 |
|---|---|
| int getState() | 获取锁标记 |
| void setState(int) | 设置锁标记 |
| boolean compareAndSetState(int expect,int update) | CAS锁标记 |
| 模板方法 | 功能 |
|---|---|
| boolean tryAcquire(int) | 独占式，尝试，获取锁 |
| boolean tryRelease(int) | 独占式，尝试，释放锁 |
| boolean tryAcquireShared(int) | 共享式，尝试，获取锁 |
| boolean tryReleaseShared(int) | 共享式，尝试，释放锁 |
| boolean isHeldExclusively() | 锁是否被当前线程独占 |
以重入锁为例，当调用锁方法的时候，会调用尝试获取锁方法。
还没有加锁就通过CAS尝试加锁。如果加锁了锁，就判断持锁线程是不是当前线程，是的话就锁标记+1重入。
而重入锁支持非公平锁和公平锁，非公平锁会先通过CAS抢锁。
而公平锁则先判断等待队列里是否有线程在等待，有的话则不去抢锁。
如果CAS获取锁失败的话，AQS会把线程封装到等待队列的节点里，通过CAS把节点加到队尾。
线程被加到队尾之后，会有个去死循环判断：
- 前置节点是不是头结点（头结点不记数据），是的话就通过CAS拿锁，失败继续循环
- 前置节点是不是在休眠状态，是的话自己也休眠，等待唤醒，调用
LockSupport.park() - 如果醒来发现自己被interrupt的话，返回获取锁失败，并interrupt自己，保存interrupt状态为true
释放锁会调用尝试释放锁方法，如果当前线程不是持锁线程则抛异常，否则修改锁标记。
修改成功之后回去唤醒等待队列里最前面的还在等待获取锁的线程。
JUC
- Semaphore（信号量）：控制并发量。通过锁标记来记录并发数。
acquire()方法获取锁，release()方法释放锁。 - CountDownLatch（减数门栓）：锁标记记录未完成剩余计数。线程完成后调用
countDown()计数-1，直到计数为0，唤醒被await()阻塞的线程。
例如主线程需要等待多个组件加载完成，或者一个线程指挥多个线程同时开始。
但是CountDownLatch的计数无法重置，所以CountDownLatch对象是一次性的。 - CyclicBarrier（循环栅栏）：锁标记记录未完成剩余计数。线程调用
await()计数-1并阻塞，直到全部线程完成，计数为0才被唤醒。
多线程计算，并发计算完成一步之后，在计算下一步。
CyclicBarrier有reset功能，可以多次使用。
锁升级与锁降级
锁降级发生于读写锁，当我们检查数据后发现需要修改数据的情形。
因此我们需要先获取读锁检查数据，再使用写锁修改数据。
但如果是先释放读锁再去获取写锁，则可能会有其他线程在这个空缺时间里拿到写锁修改了数据。
所以是获取读锁->检查数据->获取写锁->释放读锁->修改数据->释放写锁。
这里的在持有读锁状态下获取写锁，然后释放读锁保留写锁，即读锁->写锁，就叫做锁升级。
反之，如果是持有写锁状态下去获取读锁，然后释放写锁保留读锁，即写锁->读锁，则叫做锁降级。
无论是锁升级还是锁降级，目的都是确保读写的数据的一致性，有点像一个事务。
参考文章：
《深入理解Java虚拟机_JVM高级特性与最佳实践_第3版_周志明》