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

[[332553]]

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

package constxiong.concurrency.a026; 
 
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; 
 
/** 
 * 测试 原子类 AtomicInteger 
 *  
 * @author ConstXiong 
 */ 
public class TestAtomicInteger { 
 
 // 计数变量 
 static volatile AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); 
 
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
 // 线程 1 给 count 加 10000 
 Thread t1 = new Thread(() -> { 
 for (int j = 0; j <10000; j++) { 
 count.incrementAndGet(); 
 } 
 System.out.println("thread t1 count 加 10000 结束"); 
 }); 
 
 // 线程 2 给 count 加 10000 
 Thread t2 = new Thread(() -> { 
 for (int j = 0; j <10000; j++) { 
 count.incrementAndGet(); 
 } 
 System.out.println("thread t2 count 加 10000 结束"); 
 }); 
 
 // 启动线程 1 
 t1.start(); 
 // 启动线程 2 
 t2.start(); 
 
 // 等待线程 1 执行完成 
 t1.join(); 
 // 等待线程 2 执行完成 
 t2.join(); 
 
 // 打印 count 变量 
 System.out.println(count.get()); 
 } 
 
} 

打印结果如预期

thread t2 count 加 10000 结束 
thread t1 count 加 10000 结束 
20000 

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

package constxiong.concurrency.a026; 
 
/** 
 * 测试 原子类 AtomicInteger 
 *  
 * @author ConstXiong 
 */ 
public class TestThreadLocal { 
 
 // 线程本地存储变量 
 private static final ThreadLocal<Integer> THREAD_LOCAL_NUM = new ThreadLocal<Integer>() { 
 @Override 
 protected Integer initialValue() {//初始值 
 return 0; 
 } 
 }; 
 
 public static void main(String[] args) { 
 for (int i = 0; i <3; i++) {// 启动三个线程 
 Thread t = new Thread() { 
 @Override 
 public void run() { 
 add10ByThreadLocal(); 
 } 
 }; 
 t.start(); 
 } 
 } 
 
 /** 
 * 线程本地存储变量加 5 
 */ 
 private static void add10ByThreadLocal() { 
 try { 
 for (int i = 0; i <5; i++) { 
 Integer n = THREAD_LOCAL_NUM.get(); 
 n += 1; 
 THREAD_LOCAL_NUM.set(n); 
 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : ThreadLocal num=" + n); 
 } 
 } finally { 
 THREAD_LOCAL_NUM.remove();// 将变量移除 
 } 
 } 
} 

每个线程最后一个值都打印到了 5

Thread-0 : ThreadLocal num=1 
Thread-2 : ThreadLocal num=1 
Thread-1 : ThreadLocal num=1 
Thread-2 : ThreadLocal num=2 
Thread-0 : ThreadLocal num=2 
Thread-2 : ThreadLocal num=3 
Thread-0 : ThreadLocal num=3 
Thread-1 : ThreadLocal num=2 
Thread-0 : ThreadLocal num=4 
Thread-2 : ThreadLocal num=4 
Thread-0 : ThreadLocal num=5 
Thread-1 : ThreadLocal num=3 
Thread-2 : ThreadLocal num=5 
Thread-1 : ThreadLocal num=4 
Thread-1 : ThreadLocal num=5 

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。

package constxiong.concurrency.a026; 
 
import java.util.ArrayList; 
import java.util.List; 
import java.util.Random; 
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList; 
 
/** 
 * 测试 copy-on-write 
 * @author ConstXiong 
 */ 
public class TestCopyOnWrite { 
 
 private static final Random R = new Random(); 
  
 private static CopyOnWriteArrayList<Integer> cowList = new CopyOnWriteArrayList<Integer>(); 
// private static ArrayList<Integer> cowList = new ArrayList<Integer>(); 
  
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
 List<Thread> threadList = new ArrayList<Thread>(); 
 //启动 1000 个线程，向 cowList 添加 5 个随机整数 
 for (int i = 0; i <1000; i++) { 
 Thread t = new Thread(() -> { 
 for (int j = 0; j <5; j++) { 
 //休眠 10 毫秒，让线程同时向 cowList 添加整数，引出并发问题 
 try { 
 Thread.sleep(10); 
 } catch (InterruptedException e) { 
 e.printStackTrace(); 
 } 
 cowList.add(R.nextInt(100)); 
 } 
 }) ; 
 t.start(); 
 threadList.add(t); 
 } 
  
 for (Thread t : threadList) { 
 t.join(); 
 } 
 System.out.println(cowList.size()); 
 } 
} 

打印结果

5000 

如果把

private static CopyOnWriteArrayList<Integer> cowList = new CopyOnWriteArrayList<Integer>(); 

改为

private static ArrayList<Integer> cowList = new ArrayList<Integer>(); 

打印结果就是小于 5000 的整数了