Java中有哪些无锁技术来解决并发问题？如何使用？

 除了使用 synchronized、Lock 加锁之外，Java 中还有很多不需要加锁就可以解决并发问题的工具类

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一、原子工具类

JDK 1.8 中，java.util.concurrent.atomic 包下类都是原子类，原子类都是基于 sun.misc.Unsafe 实现的。

  • CPU 为了解决并发问题，提供了 CAS 指令，全称 Compare And Swap，即比较并交互
  • CAS 指令需要 3 个参数，变量、比较值、新值。当变量的当前值与比较值相等时，才把变量更新为新值
  • CAS 是一条 CPU 指令，由 CPU 硬件级别上保证原子性

java.util.concurrent.atomic 包中的原子分为：原子性基本数据类型、原子性对象引用类型、原子性数组、原子性对象属性更新器和原子性累加器

原子性基本数据类型：AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong

原子性对象引用类型：AtomicReference、AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference

原子性数组：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray

原子性对象属性更新：AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater

原子性累加器：DoubleAccumulator、DoubleAdder、LongAccumulator、LongAdder

修改我们之前测试原子性问题的类，使用 AtomicInteger 的简单例子

 
 
 
    
  
  
  
  1. package constxiong.concurrency.a026; 
    2. 
  
  
  
  2.  
    3. 
  
  
  
  3. import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; 
    4. 
  
  
  
  4.  
    5. 
  
  
  
  5. /** 
    6. 
  
  
  
  6.  * 测试 原子类 AtomicInteger 
    7. 
  
  
  
  7.  *  
    8. 
  
  
  
  8.  * @author ConstXiong 
    9. 
  
  
  
  9.  */ 
    10. 
  
  
  
  10. public class TestAtomicInteger { 
    11. 
  
  
  
  11.  
    12. 
  
  
  
  12.  // 计数变量 
    13. 
  
  
  
  13.  static volatile AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); 
    14. 
  
  
  
  14.  
    15. 
  
  
  
  15.  public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
    16. 
  
  
  
  16.  // 线程 1 给 count 加 10000 
    17. 
  
  
  
  17.  Thread t1 = new Thread(() -> { 
    18. 
  
  
  
  18.  for (int j = 0; j <10000; j++) { 
    19. 
  
  
  
  19.  count.incrementAndGet(); 
    20. 
  
  
  
  20.  } 
    21. 
  
  
  
  21.  System.out.println("thread t1 count 加 10000 结束"); 
    22. 
  
  
  
  22.  }); 
    23. 
  
  
  
  23.  
    24. 
  
  
  
  24.  // 线程 2 给 count 加 10000 
    25. 
  
  
  
  25.  Thread t2 = new Thread(() -> { 
    26. 
  
  
  
  26.  for (int j = 0; j <10000; j++) { 
    27. 
  
  
  
  27.  count.incrementAndGet(); 
    28. 
  
  
  
  28.  } 
    29. 
  
  
  
  29.  System.out.println("thread t2 count 加 10000 结束"); 
    30. 
  
  
  
  30.  }); 
    31. 
  
  
  
  31.  
    32. 
  
  
  
  32.  // 启动线程 1 
    33. 
  
  
  
  33.  t1.start(); 
    34. 
  
  
  
  34.  // 启动线程 2 
    35. 
  
  
  
  35.  t2.start(); 
    36. 
  
  
  
  36.  
    37. 
  
  
  
  37.  // 等待线程 1 执行完成 
    38. 
  
  
  
  38.  t1.join(); 
    39. 
  
  
  
  39.  // 等待线程 2 执行完成 
    40. 
  
  
  
  40.  t2.join(); 
    41. 
  
  
  
  41.  
    42. 
  
  
  
  42.  // 打印 count 变量 
    43. 
  
  
  
  43.  System.out.println(count.get()); 
    44. 
  
  
  
  44.  } 
    45. 
  
  
  
  45.  
    46. 
  
  
  
  46. } 
    47.

打印结果如预期

 
 
 
    
  
  
  
  1. thread t2 count 加 10000 结束 
    2. 
  
  
  
  2. thread t1 count 加 10000 结束 
    3. 
  
  
  
  3. 20000 
    4.

二、线程本地存储

  • java.lang.ThreadLocal 类用于线程本地化存储。
  • 线程本地化存储，就是为每一个线程创建一个变量，只有本线程可以在该变量中查看和修改值。
  • 典型的使用例子就是，spring 在处理数据库事务问题的时候，就用了 ThreadLocal 为每个线程存储了各自的数据库连接 Connection。
  • 使用 ThreadLocal 要注意，在不使用该变量的时候，一定要调用 remove() 方法移除变量，否则可能造成内存泄漏的问题。

示例

 
 
 
    
  
  
  
  1. package constxiong.concurrency.a026; 
    2. 
  
  
  
  2.  
    3. 
  
  
  
  3. /** 
    4. 
  
  
  
  4.  * 测试 原子类 AtomicInteger 
    5. 
  
  
  
  5.  *  
    6. 
  
  
  
  6.  * @author ConstXiong 
    7. 
  
  
  
  7.  */ 
    8. 
  
  
  
  8. public class TestThreadLocal { 
    9. 
  
  
  
  9.  
    10. 
  
  
  
  10.  // 线程本地存储变量 
    11. 
  
  
  
  11.  private static final ThreadLocal THREAD_LOCAL_NUM = new ThreadLocal() { 
    12. 
  
  
  
  12.  @Override 
    13. 
  
  
  
  13.  protected Integer initialValue() {//初始值 
    14. 
  
  
  
  14.  return 0; 
    15. 
  
  
  
  15.  } 
    16. 
  
  
  
  16.  }; 
    17. 
  
  
  
  17.  
    18. 
  
  
  
  18.  public static void main(String[] args) { 
    19. 
  
  
  
  19.  for (int i = 0; i <3; i++) {// 启动三个线程 
    20. 
  
  
  
  20.  Thread t = new Thread() { 
    21. 
  
  
  
  21.  @Override 
    22. 
  
  
  
  22.  public void run() { 
    23. 
  
  
  
  23.  add10ByThreadLocal(); 
    24. 
  
  
  
  24.  } 
    25. 
  
  
  
  25.  }; 
    26. 
  
  
  
  26.  t.start(); 
    27. 
  
  
  
  27.  } 
    28. 
  
  
  
  28.  } 
    29. 
  
  
  
  29.  
    30. 
  
  
  
  30.  /** 
    31. 
  
  
  
  31.  * 线程本地存储变量加 5 
    32. 
  
  
  
  32.  */ 
    33. 
  
  
  
  33.  private static void add10ByThreadLocal() { 
    34. 
  
  
  
  34.  try { 
    35. 
  
  
  
  35.  for (int i = 0; i <5; i++) { 
    36. 
  
  
  
  36.  Integer n = THREAD_LOCAL_NUM.get(); 
    37. 
  
  
  
  37.  n += 1; 
    38. 
  
  
  
  38.  THREAD_LOCAL_NUM.set(n); 
    39. 
  
  
  
  39.  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : ThreadLocal num=" + n); 
    40. 
  
  
  
  40.  } 
    41. 
  
  
  
  41.  } finally { 
    42. 
  
  
  
  42.  THREAD_LOCAL_NUM.remove();// 将变量移除 
    43. 
  
  
  
  43.  } 
    44. 
  
  
  
  44.  } 
    45. 
  
  
  
  45. } 
    46.

每个线程最后一个值都打印到了 5

 
 
 
    
  
  
  
  1. Thread-0 : ThreadLocal num=1 
    2. 
  
  
  
  2. Thread-2 : ThreadLocal num=1 
    3. 
  
  
  
  3. Thread-1 : ThreadLocal num=1 
    4. 
  
  
  
  4. Thread-2 : ThreadLocal num=2 
    5. 
  
  
  
  5. Thread-0 : ThreadLocal num=2 
    6. 
  
  
  
  6. Thread-2 : ThreadLocal num=3 
    7. 
  
  
  
  7. Thread-0 : ThreadLocal num=3 
    8. 
  
  
  
  8. Thread-1 : ThreadLocal num=2 
    9. 
  
  
  
  9. Thread-0 : ThreadLocal num=4 
    10. 
  
  
  
  10. Thread-2 : ThreadLocal num=4 
    11. 
  
  
  
  11. Thread-0 : ThreadLocal num=5 
    12. 
  
  
  
  12. Thread-1 : ThreadLocal num=3 
    13. 
  
  
  
  13. Thread-2 : ThreadLocal num=5 
    14. 
  
  
  
  14. Thread-1 : ThreadLocal num=4 
    15. 
  
  
  
  15. Thread-1 : ThreadLocal num=5 
    16.

三、copy-on-write

根据英文名称可以看出，需要写时复制，体现的是一种延时策略。

Java 中的 copy-on-write 容器包括：CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet。

涉及到数组的全量复制，所以也比较耗内存，在写少的情况下使用比较适合。

简单的 CopyOnWriteArrayList 的示例，这里只是说明 CopyOnWriteArrayList 怎么用，并且是线程安全的。这个场景并不适合使用 CopyOnWriteArrayList，因为写多读少。

 
 
 
    
  
  
  
  1. package constxiong.concurrency.a026; 
    2. 
  
  
  
  2.  
    3. 
  
  
  
  3. import java.util.ArrayList; 
    4. 
  
  
  
  4. import java.util.List; 
    5. 
  
  
  
  5. import java.util.Random; 
    6. 
  
  
  
  6. import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList; 
    7. 
  
  
  
  7.  
    8. 
  
  
  
  8. /** 
    9. 
  
  
  
  9.  * 测试 copy-on-write 
    10. 
  
  
  
  10.  * @author ConstXiong 
    11. 
  
  
  
  11.  */ 
    12. 
  
  
  
  12. public class TestCopyOnWrite { 
    13. 
  
  
  
  13.  
    14. 
  
  
  
  14.  private static final Random R = new Random(); 
    15. 
  
  
  
  15.   
    16. 
  
  
  
  16.  private static CopyOnWriteArrayList cowList = new CopyOnWriteArrayList(); 
    17. 
  
  
  
  17. // private static ArrayList cowList = new ArrayList(); 
    18. 
  
  
  
  18.   
    19. 
  
  
  
  19.  public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
    20. 
  
  
  
  20.  List threadList = new ArrayList(); 
    21. 
  
  
  
  21.  //启动 1000 个线程，向 cowList 添加 5 个随机整数 
    22. 
  
  
  
  22.  for (int i = 0; i <1000; i++) { 
    23. 
  
  
  
  23.  Thread t = new Thread(() -> { 
    24. 
  
  
  
  24.  for (int j = 0; j <5; j++) { 
    25. 
  
  
  
  25.  //休眠 10 毫秒，让线程同时向 cowList 添加整数，引出并发问题 
    26. 
  
  
  
  26.  try { 
    27. 
  
  
  
  27.  Thread.sleep(10); 
    28. 
  
  
  
  28.  } catch (InterruptedException e) { 
    29. 
  
  
  
  29.  e.printStackTrace(); 
    30. 
  
  
  
  30.  } 
    31. 
  
  
  
  31.  cowList.add(R.nextInt(100)); 
    32. 
  
  
  
  32.  } 
    33. 
  
  
  
  33.  }) ; 
    34. 
  
  
  
  34.  t.start(); 
    35. 
  
  
  
  35.  threadList.add(t); 
    36. 
  
  
  
  36.  } 
    37. 
  
  
  
  37.   
    38. 
  
  
  
  38.  for (Thread t : threadList) { 
    39. 
  
  
  
  39.  t.join(); 
    40. 
  
  
  
  40.  } 
    41. 
  
  
  
  41.  System.out.println(cowList.size()); 
    42. 
  
  
  
  42.  } 
    43. 
  
  
  
  43. } 
    44.

打印结果

 
 
 
    
  
  
  
  1. 5000 
    2.

如果把

 
 
 
    
  
  
  
  1. private static CopyOnWriteArrayList cowList = new CopyOnWriteArrayList(); 
    2.

改为

 
 
 
    
  
  
  
  1. private static ArrayList cowList = new ArrayList(); 
    2.

打印结果就是小于 5000 的整数了

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