ThreadLocalRandom类是JDK7新增的JUC下的随机数生成器,弥补了Random类在多线程情况下的缺陷。

1. java.util.Random类存在的问题

Random类生成随机数原理:首先根据旧的种子生成新的种子,然后根据新的种子生成随机数。

多线程情况下,为了避免多个线程同时根据旧种子生成相同的新种子,导致生成相同的随机数,Random类使用一个原子变量,用于保存初始化时的种子。通过循环CAS操作,以保证只有一个线程拿到旧种子来计算新种子。

问题:

多个线程通过CAS操作竞争原子种子变量,会降低并发性能,因此产生了ThreadLocalRandom类。

2. ThreadLocalRandom类

为了避免Random类中多个线程同时竞争一个原子变量,导致性能降低,ThreadLocalRandom类为每一个线程引入了ThreadLocal表示种子变量,该种子变量在使用随机数时会进行更新。

3.原子操作类

基本都使用非阻塞CAS算法实现,相比于锁能够答复提高性能。

AtomicLong原子类的自增、自减等操作都是通过 unsafe类的 getAndAddLong实现的。

实现逻辑

每个线程拿到变量当前值,在工作内存中对其增1操作,然后使用CAS修改变量值,失败后则循环尝试,直到成功。

4. 原子操作类LongAdder(JDK8)

AtomicLong原子类存在问题:

高并发情况下,多线程同时CAS竞争原子类变量时,非阻塞线程会一直占用cpu,损耗cpu资源。

LongAdder方案:

维护一个long类型的cell数组,线程CAS竞争cell数组中的元素,如果CAS某个元素失败,则CAS数组另一个元素。

获取LongAdder值时,把当前cell内所有值累加即可。

cell数组较大,一般初始设置为null,使用时才加载,称为惰性加载(懒加载)。

此外,还使用了缓存行填充技术避免cell数组内一个元素共享一个缓存行导致性能降低。

5. 并发List--CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList对象中存在一个ArrayList数组、ReetrantLock锁保证同一时刻只有一个线程操作数组。

5.1 CopyOnWriteArrayList对象内部探究

对象初始化:

创建一个大小为0的Object数组作为array的初始值。

添加元素:

添加元素时,首先开启lock,然后拷贝一份数组元素,对拷贝的数组元素进行写入,再设置回原数组,最后释放锁资源。

为什么添加元素时要拷贝数组快照?

  • 修改时拷贝原数组,而获取数组时返回老数组(相当于快照),使得修改和查看(遍历)的线程操作的是不同数组,达到避免并发修改的问题。
  • 集合类中存在迭代器,调用迭代器的remove、next方法时都会比较list的expectCount和modCount,如果两者不同则会抛出异常。修改数组结构的线程,会保留最新的数组到对应的线程本地,返回修改前的数组给其他线程,保证不会抛出异常。

缺陷:

  • 因为将元素写入数组快照,所以其他线程读取的可能不是数组最新值。
  • 内存占用、性能问题

修改元素:

加锁,然后对比设置值和指定位置值是否一致,如果不一致则拷贝数组,并修改新数组指定位置值,最后设置回数组中。最后释放锁资源。

5.2 CopyOnWriteArrayList迭代器的弱一致性

弱一致性:返回迭代器后,其他线程对list的增、删、改对迭代器不可见。


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7.并发编程基本知识和基本原理