一、能避免同步吗？

取得锁会因为以下原因导致成本很高：

取得由竞争的锁需要在虚拟机的层面上运行更多的程序代码。

要取得有竞争锁的线程总是必须等到锁被释放后。

1. 寄存器的效应

计算机有一定数量的主寄存器用来存储与程序有关的数据。

从逻辑上的观点来看，每个Thread都有自己的一组寄存器。当操作系统将某个Thread分配给CPU时，它会把该Thread特有的信息加载到CPU的寄存器中。在分配不同的Thread给CPU之前，它会将寄存器的信息存下来。所以Thread间绝不会共享保存在寄存器的数据。

当虚拟机进入synchronized方法或者块时，它必须重新加载本来已经缓存到自有寄存器上的数据。在虚拟机离开synchroized方法或者块之前，它必须把自有寄存器存入主寄存器中。

2. 重排语句的效应

在单独线程中，程序总是按照代码一行行的执行的，但是如果是多个线程并发，Java并不保证每个线程run方法的执行顺序，也就是可能其中一个线程执行到一半就会被暂时停止，执行其他线程，之后再切换回来。

多个线程间调度执行的无序性就是重排语句的效应。

3. 双重检查的Locking

二、Atomic变量

1. Atomic Class的概述

AtomicInteger, AtomicLong, AtomicBoolean, AtomicRefrences。Atomic的功能实现时通过使用use-level的Java程序无法访问的固有方法来完成的。

atomic package支持更复杂的变量类型吗?

一些不支持，例如字符或者浮点。

AtomicStampedReference能够让mark或stamp跟在任何对象的引用上。

AtomicMarkableReference提供一个包含对象引用结合boolean的数据结构。

2. 使用Atomic Class

import javax.swing.*;
import java.awt.event.*;
import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.atomic.*;
import javathreads.examples.ch05.*;

public class ScoreLabel extends JLabel implements CharacterListener {
    private AtomicInteger score = new AtomicInteger(0);
    private AtomicInteger char2type = new AtomicInteger(-1);
    private AtomicReference<CharacterSource> generator = null;
    private AtomicReference<CharacterSource> typist = null;

    public ScoreLabel (CharacterSource generator, CharacterSource typist) {
        this.generator = new AtomicReference(generator);
        this.typist = new AtomicReference(typist);

        if (generator != null)
             generator.addCharacterListener(this);
        if (typist != null)
             typist.addCharacterListener(this);
    }

    public ScoreLabel () {
        this(null, null);
    }

    public void resetGenerator(CharacterSource newGenerator) {
        CharacterSource oldGenerator;

        if (newGenerator != null)
            newGenerator.addCharacterListener(this);

        oldGenerator = generator.getAndSet(newGenerator);
        if (oldGenerator != null)
            oldGenerator.removeCharacterListener(this);
    }

    public void resetTypist(CharacterSource newTypist) {
        CharacterSource oldTypist;

        if (newTypist != null)
            newTypist.addCharacterListener(this);

        oldTypist = typist.getAndSet(newTypist);
        if (oldTypist != null)
            oldTypist.removeCharacterListener(this);
    }

    public void resetScore() {
        score.set(0);
        char2type.set(-1);
        setScore();
    }

    private void setScore() {
        // This method will be explained later in chapter 7
        SwingUtilities.invokeLater(new Runnable() {
            public void run() {
                setText(Integer.toString(score.get()));
            }
        });
    }

    public void newCharacter(CharacterEvent ce) {
        int oldChar2type;

        // Previous character not typed correctly - 1 point penalty
        if (ce.source == generator.get()) {
            oldChar2type = char2type.getAndSet(ce.character);

            if (oldChar2type != -1) {
                score.decrementAndGet();
                setScore();
            }
        }
        // If character is extraneous - 1 point penalty
        // If character does not match - 1 point penalty
        else if (ce.source == typist.get()) {
            while (true) {
                oldChar2type = char2type.get();

                if (oldChar2type != ce.character) {
                    score.decrementAndGet();
                    break;
                } else if (char2type.compareAndSet(oldChar2type, -1)) {
                    score.incrementAndGet();
                    break;
                }
            }

            setScore();
        }
    }
}

变量替换

score与char2type变量已经改成atomic变量。

以上resetScroe方法中对两个变量进行修改，虽然使用atomic能保证每个变量的原子性，但是如果多个线程同时执行resetScore方法依然会出现竞态条件。

有可能一个线程执行resetScore的第一行代码score.set(0);还未执行第二行，而另外一个线程可能已经执行newCharacter方法获取char2type的值，但是之前的线程执行resetScore方法还未对char2type进行修改。因为resetScore整个方法并不是原子的。

变更算法

resetGenerator与resetTypist两个方法，以resetGenerator方法为例，将generator变量变成AtomicRerence同样引发上面描述的问题。

通知与Atomic变量

import java.awt.*;
import javax.swing.*;
import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.atomic.*;
import javathreads.examples.ch05.*;

public class AnimatedCharacterDisplayCanvas extends CharacterDisplayCanvas implements CharacterListener, Runnable {

    private AtomicBoolean done = new AtomicBoolean(true);
    private AtomicInteger curX = new AtomicInteger(0);
    private AtomicInteger tempChar = new AtomicInteger(0);
    private Thread timer = null;

    public AnimatedCharacterDisplayCanvas() {
        startAnimationThread();
    }

    public AnimatedCharacterDisplayCanvas(CharacterSource cs) {
        super(cs);
        startAnimationThread();
    }

    private void startAnimationThread() {
        if (timer == null) {
            timer = new Thread(this);
            timer.start();
        }
    }

    public void newCharacter(CharacterEvent ce) {
        curX.set(0);
        tempChar.set(ce.character);
        repaint();
    }

    protected void paintComponent(Graphics gc) {
        char[] localTmpChar = new char[1];
        localTmpChar[0] = (char) tempChar.get();
        int localCurX = curX.get();

        Dimension d = getSize();
        int charWidth = fm.charWidth(localTmpChar[0]);
        gc.clearRect(0, 0, d.width, d.height);
        if (localTmpChar[0] == 0)
            return;

        gc.drawChars(localTmpChar, 0, 1,
                     localCurX, fontHeight);
        curX.getAndIncrement();
    }

    public void run() {
        while (true) {
            try {
                Thread.sleep(100);
                if (!done.get()) {
                    repaint();
                }
            } catch (InterruptedException ie) {
                return;
            }
        }
    }

    public void setDone(boolean b) {
        done.set(b);
    }
}

使用Atomic变量的总结

乐观同步

程序代码抓住保护变量的值并作出此一瞬间没有其他修改的假设，然后程序代码就计算出该变量的新值并尝试更新该变量。

如果有其他的Thread同时修改了变量，这个更新就失败且程序必须重新执行这些步骤（使用变量的最新修改过的值）。

数据交换： getAndSet()

复杂的数据交换： get()与compareAndSet()

高级的atomic数据类型

import java.lang.*;
import java.util.concurrent.atomic.*;

public class AtomicDouble extends Number {
    private AtomicReference<Double> value;

    public AtomicDouble() {
        this(0.0);
    }

    public AtomicDouble(double initVal) {
        value = new AtomicReference<Double>(new Double(initVal));
    }

    public double get() {
        return value.get().doubleValue();
    }

    public void set(double newVal) {
        value.set(new Double(newVal));
    }

    public boolean compareAndSet(double expect, double update) {
        Double origVal, newVal;

        newVal = new Double(update);
        while (true) {
            origVal = value.get();

            if (Double.compare(origVal.doubleValue(), expect) == 0) {
                if (value.compareAndSet(origVal, newVal))
                    return true;
            } else {
                return false;
            }
        }
    }

    public boolean weakCompareAndSet(double expect, double update) {
        return compareAndSet(expect, update);
    }

    public double getAndSet(double setVal) {
        Double origVal, newVal;

        newVal = new Double(setVal);
        while (true) {
            origVal = value.get();

            if (value.compareAndSet(origVal, newVal))
                return origVal.doubleValue();
        }
    }

    public double getAndAdd(double delta) {
        Double origVal, newVal;

        while (true) {
            origVal = value.get();
            newVal = new Double(origVal.doubleValue() + delta);
            if (value.compareAndSet(origVal, newVal))
                return origVal.doubleValue();
        }
    }

    public double addAndGet(double delta) {
        Double origVal, newVal;

        while (true) {
            origVal = value.get();
            newVal = new Double(origVal.doubleValue() + delta);
            if (value.compareAndSet(origVal, newVal))
                return newVal.doubleValue();
        }
    }

    public double getAndIncrement() {
        return getAndAdd((double) 1.0);
    }

    public double getAndDecrement() {
        return getAndAdd((double) -1.0);
    }

    public double incrementAndGet() {
        return addAndGet((double) 1.0);
    }

    public double decrementAndGet() {
        return addAndGet((double) -1.0);
    }

    public double getAndMultiply(double multiple) {
        Double origVal, newVal;

        while (true) {
            origVal = value.get();
            newVal = new Double(origVal.doubleValue() * multiple);
            if (value.compareAndSet(origVal, newVal))
                return origVal.doubleValue();
        }
    }

    public double multiplyAndGet(double multiple) {
        Double origVal, newVal;

        while (true) {
            origVal = value.get();
            newVal = new Double(origVal.doubleValue() * multiple);
            if (value.compareAndSet(origVal, newVal))
                return newVal.doubleValue();
        }
    }

    public int intValue() {
        return DoubleValue().intValue();
    }

    public long longValue() {
        return DoubleValue().longValue();
    }

    public float floatValue() {
        return DoubleValue().floatValue();
    }

    public double doubleValue() {
        return DoubleValue().doubleValue();
    }

    public byte byteValue() {
        return (byte)intValue();
    }

    public short shortValue() {
        return (short)intValue();
    }

    public Double DoubleValue() {
        return value.get();
    }

    public boolean isNaN() {
        return DoubleValue().isNaN();
    }

    public boolean isInfinite() {
        return DoubleValue().isInfinite();
    }

    public String toString() {
        return DoubleValue().toString();
    }

    public int hashCode() {
        return DoubleValue().hashCode();
    }

    public boolean equals(Object obj) {
        Double origVal = DoubleValue();

        return ((obj instanceof Double)
                && (origVal.equals((Double)obj)))
               ||
               ((obj instanceof AtomicDouble)
                &&
(origVal.equals(((AtomicDouble)obj).DoubleValue())));
    }

    public int compareTo(Double aValue) {
        return Double.compare(doubleValue(), aValue.doubleValue());
    }

    public int compareTo(AtomicDouble aValue) {
        return Double.compare(doubleValue(), aValue.doubleValue());
    }
}

大量数据的更改

用两个变量的原子类：分数与字母变量。

import java.util.concurrent.atomic.*;

public class AtomicScoreAndCharacter {
    public class ScoreAndCharacter {
        private int score, char2type;

        public ScoreAndCharacter(int score, int char2type) {
            this.score = score;
            this.char2type = char2type;
        }

        public int getScore() {
            return score;
        }

        public int getCharacter() {
            return char2type;
        }
    }

    private AtomicReference<ScoreAndCharacter> value;

    public AtomicScoreAndCharacter() {
        this(0, -1);
    }

    public AtomicScoreAndCharacter(int initScore, int initChar) {
        value = new AtomicReference<ScoreAndCharacter>
                    (new ScoreAndCharacter(initScore, initChar));
    }

    public int getScore() {
        return value.get().getScore();
    }

    public int getCharacter() {
        return value.get().getCharacter();
    }

    public void set(int newScore, int newChar) {
        value.set(new ScoreAndCharacter(newScore, newChar));
    }

    public void setScore(int newScore) {
        ScoreAndCharacter origVal, newVal;

        while (true) {
            origVal = value.get();
            newVal = new ScoreAndCharacter
                         (newScore, origVal.getCharacter());
            if (value.compareAndSet(origVal, newVal)) break;
        }
    }

    public void setCharacter(int newCharacter) {
        ScoreAndCharacter origVal, newVal;

        while (true) {
            origVal = value.get();
            newVal = new ScoreAndCharacter
                         (origVal.getScore(), newCharacter);
            if (value.compareAndSet(origVal, newVal)) break;
        }
    }

    public void setCharacterUpdateScore(int newCharacter) {
        ScoreAndCharacter origVal, newVal;
        int score;

        while (true) {
            origVal = value.get();
            score = origVal.getScore();
            score = (origVal.getCharacter() == -1) ? score : score-1;

            newVal = new ScoreAndCharacter (score, newCharacter);
            if (value.compareAndSet(origVal, newVal)) break;
        }
    }

    public boolean processCharacter(int typedChar) {
        ScoreAndCharacter origVal, newVal;
        int origScore, origCharacter;
        boolean retValue;

        while (true) {
            origVal = value.get();
            origScore = origVal.getScore();
            origCharacter = origVal.getCharacter();

            if (typedChar == origCharacter) {
                origCharacter = -1;
                origScore++;
                retValue = true;
            } else {
                origScore--;
                retValue = false;
            }

            newVal = new ScoreAndCharacter(origScore, origCharacter);
            if (value.compareAndSet(origVal, newVal)) break;
        }
        return retValue;
    }
}

被封装的值是以只读的方式处理。set方法必须创建新的对象来封装被保存的新值。

三、Thread局部变量

import java.util.*;

public abstract class Calculator {

    private static ThreadLocal<HashMap> results = new ThreadLocal<HashMap>() {
        protected HashMap initialValue() {
            return new HashMap();
        }
    };

    public Object calculate(Object param) {
        HashMap hm = results.get();
	Object o = hm.get(param);
	if (o != null)
	    return o;
        o = doLocalCalculate(param);
        hm.put(param, o);
        return o;
    }

    protected abstract Object doLocalCalculate(Object param);
}

Java 线程第三版 第五章 极简同步技巧 读书笔记