【Java高并发学习】JDK内部锁优化策略概要

JDK内部锁优化策略概要

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1.ThreadLocal

1. 为每一个线程提供所需要的资源
2. 需要在应用层面保证。如果在应用上为每一个线程分配了相同的对象实例，依旧无法保证线程安全

1.1例子

package threadLocal;import java.text.ParseException;import java.text.SimpleDateFormat;import java.util.Date;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;/** * ThreadLocal: * 1.判断当前线程是否持有使用的对象实例 * 2.如果不持有则new新建一个并设置到当前线程中进行使用 * 3.该功能的实现需要在应用层面进行保证 * @author wsz * @date 2017年12月20日 *//*     1.获取当前线程     2.获取线程的ThreadLocalMap     3.设值到ThreadLocalMap中     public void set(T value) {        Thread t = Thread.currentThread();        ThreadLocalMap map = getMap(t);        if (map != null)            map.set(this, value);        else            createMap(t, value);    }   1.获取当前线程对象  2.获取线程的ThreadLocalMap  3.线程作为key获取实际的对象等数据     public T get() {        Thread t = Thread.currentThread();        ThreadLocalMap map = getMap(t);        if (map != null) {            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);            if (e != null) {                @SuppressWarnings("unchecked")                T result = (T)e.value;                return result;            }        }        return setInitialValue();    } */public class ThreadLocalDemo {//SimpleDateFormat,parse()不是线程安全的private static final SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");static ThreadLocal<SimpleDateFormat> tl = new ThreadLocal<SimpleDateFormat>();public class Demo2 implements Runnable{private int i;public Demo2(int i) {this.i = i;}@Overridepublic void run() {if(tl.get() == null)//如果当前线程不持有该对象实例，则新建一个并设置到当前线程中tl.set(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));try {Date date = tl.get().parse("2017-12-20 20:12:"+i%60);System.out.println(date);} catch (ParseException e) {e.printStackTrace();}}}public class Demo1 implements Runnable{private int i;public Demo1(int i) {this.i = i;}@Overridepublic void run() {try {Date date = sdf.parse("2017-12-20 20:12:"+i%60);System.out.println(date);} catch (ParseException e) {e.printStackTrace();}}}public static void main(String[] args) {ExecutorService ftp = Executors.newFixedThreadPool(10);for(int i = 0 ; i< 5000 ; i++) {//ftp.execute(new ThreadLocalDemo().new Demo1(i));ftp.execute(new ThreadLocalDemo().new Demo2(i));}}}

1.2set()

1. 获取当前线程
2. 获取线程的ThreadLocalMap
   
3. 设值到ThreadLocalMap中
   

     public void set(T value) {        Thread t = Thread.currentThread();        ThreadLocalMap map = getMap(t);        if (map != null)            map.set(this, value);        else            createMap(t, value);    }

1.3get()

1.  获取当前线程对象
2.  获取线程的ThreadLocalMap
3. 线程作为key获取实际的对象等数据

     public T get() {        Thread t = Thread.currentThread();        ThreadLocalMap map = getMap(t);        if (map != null) {            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);            if (e != null) {                @SuppressWarnings("unchecked")                T result = (T)e.value;                return result;            }        }        return setInitialValue();    }

1.4exit()

ThreadLocal内部的变量只要线程不退出，将一直存在与内存中。在使用线程池时，这些线程不一定会退出，如果使用的对象占用的内存较大，可能出现内存泄漏的风险。

可以使用ThreadLocal.remove()方法将这些变量移除，JVM回收这些不再需要的对象。为了方便JVM的回收，在exit()方法中将某些变量都设置为了null。

    /**     * This method is called by the system to give a Thread     * a chance to clean up before it actually exits.     */    private void exit() {        if (group != null) {            group.threadTerminated(this);            group = null;        }        /* Aggressively null out all reference fields: see bug 4006245 */        target = null;        /* Speed the release of some of these resources */        threadLocals = null;        inheritableThreadLocals = null;        inheritedAccessControlContext = null;        blocker = null;        uncaughtExceptionHandler = null;    }

1.5性能测试

线程利用两种不同资源类型来产生200W个随机数测试性能。

在多线程共享一个Random实例情况下，5个线程的总耗时时间为3924ms；在ThreadLocal模式下，耗时仅为198ms。性能差异很明显。

package threadLocal;import java.util.Random;import java.util.concurrent.Callable;import java.util.concurrent.ExecutionException;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;import java.util.concurrent.Future;/** * 测试ThreadLocal对性能的影响 * @author wsz * @date 2017年12月20日 */public class ThreadLocalEffic {public static final int NUM = 2000000;//每个线程要产生的随机数数量public static final int SIZE = 5;     //参与工作的线程数量static ExecutorService exe = Executors.newFixedThreadPool(SIZE);//固定数量的线程池//多线程共享对象public static Random rnd = new Random(123);//ThreadLocal对象封装的Randompublic static ThreadLocal<Random> trnd = new ThreadLocal<Random>() {@Overrideprotected Random initialValue() {return new Random(123);}};public class RndTest implements Callable<Long>{private int model = 0;public RndTest(int model) {this.model = model;}public Random getRandom() {//分类进行返回不同的随机数对象if(model == 0) {return rnd;}else if(model == 1) {return trnd.get();}else {return null;}}//消耗的时间@Overridepublic Long call() throws Exception {long b = System.currentTimeMillis();for(int i= 0 ;i < NUM ; i++) {getRandom().nextInt();}long e = System.currentTimeMillis();System.out.println(Thread.currentThread().getClass()+" take "+(e-b)+"ms");return e-b;}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {Future<Long>[] futs = new Future[SIZE];//普通Randomfor (int i = 0; i < SIZE; i++) {futs[i] = exe.submit(new ThreadLocalEffic().new RndTest(0));}int totaltime = 0;for(int i =0; i< SIZE; i++) {totaltime += futs[i].get();}System.out.println("多线程访问同一个Random实例："+totaltime+"ms");//ThreadLocal的Randomfor (int i = 0; i < SIZE; i++) {futs[i] = exe.submit(new ThreadLocalEffic().new RndTest(1));}totaltime = 0;for(int i =0; i< SIZE; i++) {totaltime += futs[i].get();}System.out.println("多线程访问同一个Random实例："+totaltime+"ms");exe.shutdown();}}

class java.lang.Thread take 729msclass java.lang.Thread take 787msclass java.lang.Thread take 801msclass java.lang.Thread take 804msclass java.lang.Thread take 803ms多线程访问同一个Random实例：3924msclass java.lang.Thread take 39msclass java.lang.Thread take 39msclass java.lang.Thread take 39msclass java.lang.Thread take 40msclass java.lang.Thread take 41ms多线程访问同一个Random实例：198ms

2.悲观锁+无锁

1. 也即普通的加锁模式，总是假设每一次的临界区操作会产生冲突；在并发多线程下若多个线程同时需要访问临界区资源，便牺牲时间进行等待。
2. 无锁是一种乐观的策略，它会假设对资源的访问没有冲突，也不会进行等待。但是当遇到冲突时，将采用CAS比较交换技术鉴别线程冲突，一旦检测到冲突产生，就重试当前操作直到没有冲突为止。

2.1比较交换CAS

3.无锁的开发工具

3.1线程安全整数AtomicInteger

1. private volatile int value；代表AtomicInteger的当前实际取值。
2. valueOffset：保存value字段在AtomicInteger对象中的偏移量。
3. incrementAdnGet()：使用CAS操作将自己加1，并返回当前值。
4. Unsafe类：采用指针技术。

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;

    /**     * Atomically increments by one the current value.     *     * @return the updated value     */    public final int incrementAndGet() {        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;    }

3.2对象引用AtomicReference

1. 封装对普通对象的引用，保证在修改对象引用时的线程安全
2. 可能出现CAS技术中逻辑不严谨问题

package atomic;import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;/** * 初始账户19元；当小于20元时，每次充值20元，且只能最多充值一次；多于10元时，每次消费10元。 * 使用AtomicReference将会被重复充值，不符合实际情况 * @author wsz * @date 2017年12月21日 */public class AtomicReferenceDemo {//定义账户static AtomicReference<Integer> money = new AtomicReference<Integer>();public static void main(String[] args) {//初始账户有19元money.set(19);for(int i = 0; i <20; i++) {//线程进行充值new Thread() {public void run() {while(true) {Integer m = money.get();if(m < 20) {if(money.compareAndSet(m, m+20)) {//每次充值新增20System.out.println("少于20，充值成功，目前有："+money.get());break;}}else {System.out.println("超过20");break;}}}}.start();}new Thread() {public void run() {for(int i = 0 ; i < 100 ; i++) {while(true) {Integer m = money.get();if(m > 10) {System.out.println("多于10");if(money.compareAndSet(m, m-10)) {System.out.println("消费10元，剩余："+money.get());break;}}else {System.out.println("小于10元");break;}}}}}.start();}}

3.3带有时间戳的AtomicStampedReference

1. 记录修改状态，便能解决对象被反复修改导致线程无法判断对象状态的问题
2. 不仅维护对象值；还维护时间戳。
3. 数值被修改时，还更新时间戳，当时间戳不一致时，即可表示对象已被其他线程修改

package atomic;import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;/** * AtomicStampedReference带有时间戳，由此可判断是否被其他线程修改 * 此案例将只能新增一次数据 * @author wsz * @date 2017年12月21日 */public class AtomicStampedReferenceDemo {static AtomicStampedReference<Integer> money = new AtomicStampedReference<Integer>(19, 0);public static void main(String[] args) {for(int i = 0; i <3; i++) {//线程进行充值final int stamp = money.getStamp();//充值前，final时间戳，后面充值将修改一次时间戳（+1）；  //后续操作的期望时间戳仍为第一次设置的值，但时间戳已被修改，无法满足。new Thread() {public void run() {while(true) {while(true) {Integer m = money.getReference();if(m < 20) {if(money.compareAndSet(m, m+20, stamp, stamp+1)) {//期望值、写入新值、期望时间戳、新时间戳System.out.println("余额小于20，充值成功，余额："+money.getReference());break;}}else {//System.out.println("余额大于20");break;}}}}}.start();}new Thread() {public void run() {for(int i = 0 ; i < 100 ; i++) {while(true) {int stamp = money.getStamp();//获取时间戳Integer m = money.getReference();//获取值if(m > 10) {System.out.println("大于10");if(money.compareAndSet(m, m-10, stamp, stamp+1)) {System.out.println("消费10元，剩余："+money.getReference());break;}}else {System.out.println("小于10元");break;}}}}}.start();}}