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

1、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 10000Thread 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 10000Thread 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 1t1.start();// 启动线程 2t2.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

2、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>() {@Overrideprotected 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() {@Overridepublic 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=1Thread-2 : ThreadLocal num=1Thread-1 : ThreadLocal num=1Thread-2 : ThreadLocal num=2Thread-0 : ThreadLocal num=2Thread-2 : ThreadLocal num=3Thread-0 : ThreadLocal num=3Thread-1 : ThreadLocal num=2Thread-0 : ThreadLocal num=4Thread-2 : ThreadLocal num=4Thread-0 : ThreadLocal num=5Thread-1 : ThreadLocal num=3Thread-2 : ThreadLocal num=5Thread-1 : ThreadLocal num=4Thread-1 : ThreadLocal num=5

3、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

4、其他 "Concurrent" 开头的并发工具类，如：ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedDeque、ConcurrentLinkedQueue…