《实战高并发程序设计》读书笔记-隐蔽的并发问题
程序中的幽灵：隐蔽的错误
无提示错误
平均值
int v1=1073741827;
int v2=1431655768;
System.out.println("v1="+v1);
System.out.println("v2="+v2);
int ave=(v1+v2)/2;
System.out.println("ave="+ave);
上述代码中，加粗部分试图计算v1和v2的均值。乍看之下，没有什么问题。目测v1和v2的当前值，估计两者的平均值大约在12亿左右。但如果你执行代码，却会得到以下输出：
v1=1073741827
v2=1431655768
ave=-894784850
v1+v2的结果就已经导致了int的溢出。
并发下的ArrayList
public class ArrayListMultiThread {
static ArrayList＜Integer＞ al = new ArrayList＜Integer＞(10);
public static class AddThread implements Runnable {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i ＜ 1000000; i++) {
al.add(i);
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1=new Thread(new AddThread());
Thread t2=new Thread(new AddThread());
t1.start();
t2.start();
t1.join();t2.join();
System.out.println(al.size());
}
}
如果你执行这段代码，你可能会得到三种结果。
第一，程序正常结束，ArrayList的最终大小确实2000000。这说明<font color=red>即使并行程序有问题，也未必会每次都表现出来</font>。
第二，程序抛出异常：
Exception in thread "Thread-0" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 22
at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:441)
at geym.conc.ch2.notsafe.ArrayListMultiThread$AddThread.run
(ArrayListMultiThread.java:12)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:724)
1000015
这是因为ArrayList在扩容过程中，内部一致性被破坏，但由于没有锁的保护，另外一个线程访问到了不一致的内部状态，导致出现越界问题。
第三，出现了一个非常隐蔽的错误，比如打印如下值作为ArrayList的大小：
1793758
显然，这是由于多线程访问冲突，使得保存容器大小的变量被多线程不正常的访问，同时两个线程也同时对ArrayList中的同一个位置进行赋值导致的。
并发下诡异的HashMap
public class HashMapMultiThread {
static Map＜String,String＞ map = new HashMap＜String,String＞();
public static class AddThread implements Runnable {
int start=0;
public AddThread(int start){
this.start=start;
}
@Override
public void run() {
for (int i = start; i ＜ 100000; i+=2) {
map.put(Integer.toString(i), Integer.toBinaryString(i));
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1=new Thread(new HashMapMultiThread.AddThread(0));
Thread t2=new Thread(new HashMapMultiThread.AddThread(1));
t1.start();
t2.start();
t1.join();t2.join();
System.out.println(map.size());
}
}
上述代码使用t1和t2两个线程同时对HashMap进行put()操作。如果一切正常，我们期望得到的map.size()就是100000。但实际上，你可能会得到以下三种情况（注意，这里使用JDK 7进行试验）：
第一，程序正常结束，并且结果也是符合预期的。HashMap的大小为100000。
第二，程序正常结束，但结果不符合预期，而是一个小于100000的数字，比如98868。
第三，<font color=red>程序永远无法结束。</font>
这里重点说一下第三种情况：
打开任务管理器，你们会发现，这段代码占用了极高的CPU，最有可能的表示是占用了两个CPU核，并使得这两个核的CPU使用率达到100%。这非常类似死循环的情况。
使用jstack工具显示程序的线程信息，如下所示。其中jps可以显示当前系统中所有的Java进程。而jstack可以打印给定Java进程的内部线程及其堆栈。
C\Users\geym ＞jps
14240 HashMapMultiThread
1192 Jps
C:\Users\geym ＞jstack 14240
"Thread-1" prio=6 tid=0x00bb2800 nid=0x16e0 runnable [0x04baf000]
java.lang.Thread.State: RUNNABLE
at java.util.HashMap.put(HashMap.java:498)
at geym.conc.ch2.notsafe.HashMapMultiThread$AddThread.run
(HashMapMultiThread.java:26)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:724)
"Thread-0" prio=6 tid=0x00bb0000 nid=0x1668 runnable [0x04d7f000]
java.lang.Thread.State: RUNNABLE
at java.util.HashMap.put(HashMap.java:498)
at geym.conc.ch2.notsafe.HashMapMultiThread$AddThread.run
(HashMapMultiThread.java:26)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:724)
"main" prio=6 tid=0x00c0cc00 nid=0x16ec in Object.wait() [0x0102f000]
java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
at java.lang.Object.wait(Native Method)
- waiting on ＜0x24930280＞ (a java.lang.Thread)
at java.lang.Thread.join(Thread.java:1260)
- locked ＜0x24930280＞ (a java.lang.Thread)
at java.lang.Thread.join(Thread.java:1334)
at geym.conc.ch2.notsafe.HashMapMultiThread.main(HashMapMultiThread. java:36)
主线程main正处于等待状态，并且这个等待是由于join()方法引起的，符合我们的预期。而t1和t2两个线程都处于Runnable状态，并且当前执行语句为HashMap.put()方法。查看put()方法的第498行代码，如下所示：
498 for (Entry＜K,V＞ e = table[i]; e != null; e = e.next) {
499 Object k;
500 if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
501 V oldValue = e.value;
502 e.value = value;
503 e.recordAccess(this);
504 return oldValue;
505 }
506 }
可以看到，当前这两个线程正在遍历HashMap的内部数据。当前所处循环乍看之下是一个迭代遍历，就如同遍历一个链表一样。但在此时此刻，由于多线程的冲突，这个链表的结构已经遭到了破坏，链表成环了！当链表成环时，上述的迭代就等同于一个死循环，比如两个节点的next节点指向对方。
这个死循环的问题，如果一旦发生，着实可以让你郁闷一把。但这个死循环的问题在JDK 8中已经不存在了。由于JDK 8对HashMap的内部实现了做了大规模的调整，因此规避了这个问题。但即使这样，贸然在多线程环境下使用HashMap依然会导致内部数据不一致。最简单的解决方案就是使用ConcurrentHashMap代替HashMap。
初学者常见问题：错误的加锁
01 public class BadLockOnInteger implements Runnable{
02 public static Integer i=0;
03 static BadLockOnInteger instance=new BadLockOnInteger();
04 @Override
05 public void run() {
06 for(int j=0;j＜10000000;j++){
07 synchronized(i){
08 i++;
09 }
10 }
11 }
12
13 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
14 Thread t1=new Thread(instance);
15 Thread t2=new Thread(instance);
16 t1.start();t2.start();
17 t1.join();t2.join();
18 System.out.println(i);
19 }
20 }
上述代码很容易得到一个远小于20000000的数字，作者的这个例子举得确实精彩，他的锁对象居然选择了Integer，这个线程不安全的例子，如果知识储备不到位，很难解释，来看一下作者的解释：
要解释这个问题，得从Integer说起。在Java中，Integer属于不变对象。也就是对象一旦被创建，就不可能被修改。也就是说，如果你有一个Integer代表1，那么它就永远表示1，你不可能修改Integer的值，使它为2。那如果你需要2怎么办呢？也很简单，新建一个Integer，并让它表示2即可。
如果我们使用javap反编译这段代码的run()方法，我们可以看到：
0: iconst_0
1: istore_1
2: goto 36
5: getstatic #20; //Field i:Ljava/lang/Integer;
8: dup
9: astore_2
10: monitorenter
11: getstatic #20; //Field i:Ljava/lang/Integer;
14: invokevirtual #32; //Method java/lang/Integer.intValue:()I
17: iconst_1
18: iadd
19: invokestatic #14; //Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
22: putstatic #20; //Field i:Ljava/lang/Integer;
25: aload_2
26: monitorexit
在第19～22行（对字节码来说，这是偏移量，这里简称为行），实际上使用了Integer.valueOf()方法新建了一个新的Integer在第19～22行（对字节码来说，这是偏移量，这里简称为行），实际上使用了Integer.valueOf()方法新建了一个新的Integer对象，并将它赋值给变量i。也就是说，i++在真实执行时变成了：
i=Integer.valueOf(i.intValue()+1);
进一步查看Integer.valueOf()，我们可以看到
public static Integer valueOf(int i) {
assert IntegerCache.high ＞= 127;
if (i ＞= IntegerCache.low && i ＜= IntegerCache.high)
return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
return new Integer(i);
<font color=red>Integer.valueOf()实际上是一个工厂方法，它会倾向于返回一个代表指定数值的Integer实例。因此，i++的本质是，创建一个新的Integer对象，并将它的引用赋值给i</font>。
<font color=red>如此一来，我们就可以明白问题所在了，由于在多个线程间，并不一定能够看到同一个i对象（因为i对象一直在变），因此，两个线程每次加锁可能都加在了不同的对象实例上，从而导致对临界区代码控制出现问题。</font>
