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解决并发编程出现的问题

基于java内存模式的设计出现的问题

基于java内存模式的设计，多线程操作一些共享的数据时，出现以下三个问题：

1.不可见性问题：多个线程同时在各自的工作内存对共享数据进行操作，彼此之间不可见。操作完写会主内存，有可能出现问题。

2.无序性：为了性能，对一些代码指令的执行顺序调整重排，以提高速度。在某种情况下，顺序调整后，可能会对后续代码操作进行影响。

3.非原子性：对进程的程序代码分割进行了，由于线程切换而导致

缓存（工作内存）带来了不可见性；
指令重排优化，带来了无序性；
线程切换，带来了非原子性；

解决办法

让不可见变为 可见：各自的工作内存的共享数据可以实时刷新

让无序变为 不乱序：不对代码重新排序

非原子执行 变为原子：加锁

1.实现可见性和有序性

volatile关键字

volatile修饰的是变量

解决了两个问题

volatile所修饰的变量被一个线程修改后，可以在其他线程中立即可见。可解决不可见问题；

volatile修饰的变量，在执行的过程中与它相关的代码不会被重排序执行。可解决无序性问题；

但volatile不能解决原子性问题

volatile 底层实现原理

在底层指令级别来进行控制

volatile修饰的变量在操作前，添加内存屏障，不让其他的指令干扰。

volatile修饰的内存变量添加内存屏障之外，还要通过缓存一致性协议（MESI）将数据写回到主内存，其他工作内存嗅探后把自己工作内存数据过期，重新从主内存读取最新的数据。

2.实现原子性

（1）加锁

通过加锁的方式，让程序互斥执行来保持一次只有一个线程对共享资源访问。

加锁的两种方式：

synchronized：关键字 修饰代码块，方法 自动获取锁、自动释放锁

Reentrantlock：类 只能修饰代码块 手动加锁、释放锁

（2）使用原子类（非加锁）

在java中，还提供了一些原子类，是一种无锁实现；在低并发情况下使用；采用了CAS机制(Compare-And-Swap)

原子类的原子性是通过 volatile + CAS 实现原子操作的。 如AtomicInteger类，AtomicInteger 类中的 value 是有 volatile 关键字修饰的，这就保证了 value的内存可见性，这为后续的 CAS 实现提供了基础。

这里说一下CAS机制：

CAS（面试中出现频率很高）

CAS机制(Compare-And-Swap)，比较并交换，该算法是硬件对于并发操作的支持；

是乐观锁的一种实现方式；

特点：

• 是一种无锁实现；

• 只能在低并发情况下使用；

• 不加锁，所有线程都可以对共享数据操作；

• 由于不加锁，所以不会阻塞，效率比加锁高；

• 采用自旋思想；

自旋思想：

第一次采取内存值到工作内存中，存储起来作为预期值。然后对象数据进行修改，将工作内存值写入到主内存；

在写入之前需要做一个判断，用预期值与主内存中的值进行比较，如果预期值与主内存中值一致，说明这个变量没有其他线程修改，则将更新后的值，写入到主内存；

如果预期值与主内存中值不一致，说明其他进行修改了主内存的值，这时就需要重复这个过程；

概念：即每次判断我的预期值A和内存中的值V是不是相同，如果不相同则说明该内存值已经被其他线程更新过了，因此需要拿到该最新值B作为预期值，重新判断。而该线程不断的循环判断是否该内存值已经被其他线程更新过了。

CAS缺点

CAS使用自旋锁的方式，由于该锁会不断循环判断，因此不会synchronize线程阻塞导致线程切换，但是会不断自旋，导致cpu的消耗，在并发量大的时候导致cpu跑满。

导致ABA问题，通过设置版本号，每次操作改变版本号即可