JUC 并发编程--05, Volatile关键字特性: 可见性, 不保证原子性,禁止指令重排, 代码证明过程. CAS了解么 , ABA怎么解决, 手写自旋锁和死锁

问: 了解volatile关键字么?
答: 他是java 的关键字, 保证可见性, 不保证原子性, 禁止指令重排
问: 你说的这三个特性, 能写代码证明么?
答: ....
问: 听说过 CAS么 他的缺点是什么? 什么是ABA, 怎么解决?
问: 请手写一个自旋锁？

可见性证明:

接下来看使用 了 volatile的结果

不保证原子性 证明:

private volatile Integer num = 0;
private AtomicInteger anum = new AtomicInteger(0);
@Test
public void test2() {
    /**
     *  证明不保证原子性:  原子性就是: 一个线程对共享变量操作,这个操作一旦开始,就会一直运行到结束,
     *  不会被别的线程打断,切换到另一个线程, 这个操作是不可分割的
     */
    // 这里用10个线程执行100次,  50个线程执行1000次,   50个线程执行100万次, 看最终num的值是否符合预期
    for (int i = 0; i < 50; i++) {
        new Thread(() -> {
            for (int i1 = 0; i1 < 1000; i1++) {
                num = num +1;
                //anum.getAndIncrement();
            }
        }).start();
    }
    while(Thread.activeCount()>2){}
    System.out.println("anum:" +num);
    //System.out.println("anum:" +anum.get());
    //这里用10个线程执行100次 应该为1000 实际结果为900,
    // 50个线程执行1000次, 应该为 50000,  实际结果为 49000
    // 50个线程执行100万次, 应该为 5000万, 实际为 293028
    //实际结果和 预期结果不一样,说明volatile 并不能保证原子性,当一个线程对共享变量操作的时候, 并不能保证这个操作不被中断,
}

造成这样的原因:
假设i = 0, 线程A读取0到自己的工作内存, A对该值加1操作,但正准备将1赋给i时,由于此时i的值并没有改变
线程B读取主存的值0到自己的工作内存, 并执行了加1操作,正准备将1赋给i时, 此时线程A将1赋给了i,由于volatile的影响
立即同步到主存, 主存中的值为1, 并是线程B工作内存的i失效, B执行第三步,虽然此时B工作内存中的i失效了, 但是第三部是将
1赋给i, 对B来说,我只是赋值操作, 并没有使用i这个动作, 所以这一步并不会取刷新主存, B将1赋值给i, 并立即同步到主存, 主存
中的值仍为1. 虽然A/B都执行了 加1操作,但主存却为 1, 这就是最终结果和预期不一致的原因

如何解决这个volatile不保证原子性问题呢? 使用原子类中的AtomicInteger 这个类来保证原子性.

为什么 普通的Integer 不行,使用了 AtomicInteger这个原子类就能保证原子性呢?? 是因为 CAS, atmoicInteger类中的CAS 底层原理是 unsafe类和 自旋锁,

源码:

CAS的缺点: 由于CAS底层是 unsafe类 和自旋锁, 可以看到unsafe类有很多native方法, 这些方法是c或者c++写的,转换为汇编指令,直接操作硬件,所以操作硬件是天生就是原子性的,这也就是atomic类解决原子性的原因.
下面解析CAS源码: getAndAddInt 方法的入参: var1:当前对象 var2: 当前对象在内存中的偏移量, 通过 var1 和 var2 就可以准确找到这个对象的值, 就好像 var1 是名字, var2是 你在教室座位的坐标, 通过这二个可以准确找到你再内存中的位置和值, var4: 增加的值, 一个 do_while 循环, 先从内存中找到当前对象的值, while循环判断: 如果 var5 和 var1,var2 对应的值相同,就将 var5+var4设置成新值, 这个可以这么理解: 主存中有个变量为5, 你先将5读到自己的工作内存,并修改为 6,在将要写回主存的时候, 你期望主存的值还是5, 与主存中的实际值相比较,如果主存中的实际值也是5, 说明没有被别的线程修改过,此时就 将6写回主存, 并跳出死循环, 可以看到cas底层是保证了 值的最终一致性, 这样会导致ABA问题, 同时cas是操作硬件的,这就保证了原子性, 可以根据这个特性,自己实现一个lock锁.

自旋锁, 看源码可以看到有个 do--while-方法,compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)这个方法是比较并交换,va1,va2指的是内存中的对象, var5是期望值, 比较内存中的值和期望值是否相等,相等就把var5+var4赋值给内存的值,并返回true, 否则就返回false. 这里会循环比较,如果不相等就一直循环,知道相等才跳出. 这样好处是不阻塞,缺点是: 如果某个线程持有锁时间太长,导致别的线程循环次数太多,开销大. 另外 compareAndSwapInt() 这个方法会导致 ABA 问题..

问: 什么是ABA 问题, 怎么解决?
ABA 就是： 主存中i=A, 线程1将A 读到自己的工作内存中, 线程2也从主存中读取A到自己的工作内存中,修改为B,之后写回到主存. 线程3此时也抢过cpu执行权,从主存中读取值B到自己的工作内存中,修改为A后,回写到主存中, 线程1,最后执行回写主存,回写到主存是CAS原则, 由于主存中的值A,与线程1中的值A, 值相同,所以回写主存成功.
但是 此时 此A 非 彼A, 值相同,并不一定就是同一变量,这就会导致数据不一致问题
怎么解决ABA问题? 引入原子引用来解决ABA问题. 回写主存的时候,会调用compareAndSet()方法, 此时加上一个 版本号或者时间戳, 回写的时候,会比较版本号是否和期望的相同,相同才更新.

接下来代码演示: ABA问题, 和解决方法

  class ABA {
    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
    public static void main(String[] args) {
        //这里演示 ABA问题
        System.out.println("原始值为:" + atomicInteger.get());
        new Thread(() -> {
            atomicInteger.compareAndSet(0, 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "步骤一: 改为1, 当前值为:" + atomicInteger.get());
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            atomicInteger.compareAndSet(1, 0);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "步骤二: 改为0, 当前值为:" + atomicInteger.get());
        }, "线程1").start();

        new Thread(() -> {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            atomicInteger.compareAndSet(0, 10);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "步骤三: 改为10, 当前值为:" + atomicInteger.get());
        }, "线程2").start();
    }
}

运行结果: 线程1 将值0, 改为1,之后又改回0, 线程2:比较主存中的0, 和期望值0,相同,所以改为10, 但是此时的 0 和 之前的0, 值相同,不一定是同一对象

引入-原子引用-来解决ABA:

  class AtomicABA {
    private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(0, 1);

    public static void main(String[] args) {
        //这里演示 ABA问题, 解决方法: 引入原子引用
        System.out.println("原始值为:" + atomicStampedReference.getReference() + "--版本号为:" + atomicStampedReference.getStamp());
        new Thread(() -> {
            atomicStampedReference.compareAndSet(0, 1, 1, 2);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "步骤一: 修改后的值为:" + atomicStampedReference.getReference() + "--版本号为:" + atomicStampedReference.getStamp());
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            atomicStampedReference.compareAndSet(1, 0, 2, 3);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "步骤二: 修改后的值为:" + atomicStampedReference.getReference() + "--版本号为:" + atomicStampedReference.getStamp());
        }, "线程1").start();


        new Thread(() -> {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            atomicStampedReference.compareAndSet(0, 10, 1, 10);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "步骤三: 修改后的值为:" + atomicStampedReference.getReference() + "--版本号为:" + atomicStampedReference.getStamp());
        }, "线程2").start();

        while (Thread.activeCount() > 2) {}
        System.out.println("最终结果为:" + atomicStampedReference.getReference());
    }
}

运行结果为: 引入原子引用之后, 回写内存时候, 调用 compareAndSet方法都会,先比较版本号, 相同之后才会更新

问: 刚刚你说 原子类的底层是unsafe类和自旋锁,能手写一个自旋锁么?

class SpinLockDemo {
    private AtomicReference<Thread> atomicReference = new AtomicReference<>();
    public void myLock(){
        Thread thread = Thread.currentThread();
        System.out.println("这里是加锁" + thread.getName() + "----锁对象是:" + thread);
        while(! atomicReference.compareAndSet(null,thread)){} //这里是自旋锁的实现
    }
    public void myUnlock(){
        Thread thread = Thread.currentThread();
        System.out.println("这里是解锁" + thread.getName() + "----锁对象是:" + thread);
        atomicReference.compareAndSet(thread,null);
    }

    static Integer num = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SpinLockDemo spinLock = new SpinLockDemo();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread(()->{
                spinLock.myLock();
                num++;
                spinLock.myUnlock();
            }).start();
        }
        while(Thread.activeCount() >2){}
        System.out.println(num);//没有加锁时候,结果为9945(这是由于, 共享变量不是原子的类引起的).  加了锁之后,结果为 10000
    }
}

死锁代码; 线程1持有锁a, 尝试获取锁b, 线程2持有锁b,尝试获取锁a

// 死锁案例
class CycleLock{
    public static void main(String[] args) {
        String lock1 = "123";
        String lock2 = "abc";
        new Thread(()->{
            new B(lock1,lock2).getLock();
        },"线程1").start();

        new Thread(()->{
            new B(lock2,lock1).getLock();
        },"线程2").start();
    }
}
class B{
    private String lock1;
    private String lock2;
    public B(String lock1, String lock2) {
        this.lock1 = lock1;
        this.lock2 = lock2;
    }
    public void getLock(){
        synchronized (lock1){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已经持有锁 "+lock1);
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            synchronized (lock2){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已经持有锁 "+lock2);
            }
        }
    }
}

运行结果你怎么确定这就是死锁，你是怎么定位的？

关于volatile 禁止指令重排,看这个博客

https://blog.csdn.net/weixin_45007916/article/details/108076954
使用命令行： 如果是Linux 使用Linux的指令，这里演示win系统下的命令 ：1:jps -l 2：jstack 进程号

jstack 15336

这里引用别人的博客,以补充本文遗漏的地方, 感谢他
https://juejin.im/post/6859390417314512909