java并发编程

并发理论

为什么需要多线程

众所周知，CPU、内存、I/O 设备的速度是有极大差异的，为了合理利用 CPU 的高性能，平衡这三者的速度差异，计算机体系结构、操作系统、编译程序都做出了贡献

• CPU 增加了缓存，以均衡与内存的速度差异
  • 存在可见性问题
• 操作系统增加了进程、线程，以分时复用 CPU，进而均衡 CPU 与 I/O 设备的速度差异
  • 存在原子性问题
• 编译程序优化指令执行次序，使得缓存能够得到更加合理地利用
  • 存在有序性问题

并发中存在的问题

可见性问题

• 该问题是由CPU缓存引起的

• 一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到

• 解决方式

  • 例如：使用volatile修饰符修饰共享对象

原子性问题

• 该问题是分时复用引起的
• 即一个操作或者多个操作，要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行
  • 例如：a+=1
• 解决方式
  • 例如：使用原子类

有序性问题

• 该问题是重排序引起的
• 在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序
  • 编译器优化的重排序
  • 指令级并行的重排序
  • 内存系统的重排序
• 解决方式
  • 例如：使用synchronized或者Lock（锁）来控制
  • 例如：遵守Happens-Before 规则
    • 单一线程原则
    • 管程锁定规则
    • volatile 变量规则
    • 线程启动规则
    • 线程加入规则
    • 线程中断规则
    • 对象终结规则
    • 传递性

线程安全的实现方案

互斥同步

非阻塞同步

• 乐观锁
• 原子类

无同步方案

• 栈封闭
  • 多个线程访问同一个方法的局部变量时，不会出现线程安全问题，因为局部变量存储在虚拟机栈中，属于线程私有的
• 线程本地存储(Thread Local Storage)
  • 使用ThreadLocal存储线程独享变量
• 可重入代码(Reentrant Code)

并发编程模型

共享内存

• 共享内存的并发模型里，线程之间共享程序的公共状态，线程之间通过写 - 读内存中的公共状态来隐式进行通信
• 在共享内存并发模型里，同步是显式进行的。程序员必须显式指定某个方法或某段代码需要在线程之间互斥执行

消息传递

• 消息传递的并发模型里，线程之间没有公共状态，线程之间必须通过明确的发送消息来显式进行通信
• 在消息传递的并发模型里，由于消息的发送必须在消息的接收之前，因此同步是隐式进行的

并发编程

CAS（Compare And Swap）

简述

• 是一种用于在多线程环境下实现同步功能的机制
• Java中CAS是通过自旋操作完成赋值，若值不相等再更新预期值、重新计算新值，接着进行CAS操作，直到成功为止
• 底层是JVM调用操作系统原语指令unsafe，并由CPU完成原子操作，你要知道并发/多线程环境下如果CPU没有原子操作我们是无法完成

分析

• 优点
  • 没有引用锁的概念，并发量不高情况下提高效率
  • 减少线程上下文切换
• 缺点
  • cpu开销大，在高并发下，许多线程，更新一变量，多次更新不成功，循环反复，给cpu带来大量压力
  • 只是一个变量的原子性操作，不能保证代码块的原子性

关键字

volatile

• volatile不能保证完全的原子性，只能保证单次的读/写操作具有原子性
• volatile 变量的内存可见性是基于内存屏障(Memory Barrier)实现，即预防指令重排
• volatile 变量通过缓存一致性协议(MESI)，使得每个线程都能及时更新为该变量的最新值

final

• 声明不可变常量

锁

分类

• 同步资源维度
  • 悲观锁
  • 乐观锁
• 阻塞维度
  • 阻塞
  • 不阻塞。自旋锁、自适应自旋锁
• 锁竞争等待维度
  • 公平锁
  • 非公平锁
• 可重复持有锁（同一个线程）
  • 可重入锁
  • 不可重入锁
• 可重复持有锁（多个线程）
  • 共享锁
  • 排它锁

实现方式

synchronized

• Synchronied有四种状态：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁，它会随着竞争情况逐渐升级

• 锁可以升级但是不可以降级，目的是为了提供获取锁和释放锁的效率

• 锁膨胀方向： 无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁 (此过程是不可逆的)

• synchronized使用的地方

  • 同步方法
  • 同步类
  • 同步块
  • 同步静态方法

ReentrantLock

• ReentrantLock 是 java.util.concurrent(J.U.C)包中的锁

线程

线程状态

• New（新建）。创建后尚未启动
• Runnable（就绪/准备）。正在等待 CPU 时间片
• Running（运行）。正在运行
• Blocking（阻塞）。等待获取一个排它锁，如果其线程释放了锁就会结束此状态
• Waiting（无限等待）。等待其它线程显式地唤醒，否则不会被分配 CPU 时间片
• Timed Waiting（限期等待）。无需等待其它线程显式地唤醒，在一定时间之后会被系统自动唤醒
• Terminated（结束/死亡）。可以是线程结束任务之后自己结束，或者产生了异常而结束

线程实现方式

• 实现Runnable接口
• 实现Callable接口
• 继承Thread类
• 线程池

线程的常见操作

• setDaemon
  • 使用 setDaemon() 方法将一个线程设置为守护线程
• sleep
  • Thread.sleep(millisec) 方法会休眠当前正在执行的线程
• yield
  • Thread.yield()方法会交出cpu执行时间片
• join()
• notify
  • 通过Object.notify唤醒挂起的线程
• notifyAll
  • 通过Object.notifyAll唤醒所有线程
• 线程中断
  • Object.interrupt()。Object.interrupted()可以查看线程中断状态
  • ThreadPool.shutdown()。方法会等待线程都执行完毕之后再关闭
  • ThreadPool.shutdownNow()

JUC常用类

ReentrantLock

• 一个可重入的互斥锁 Lock，它具有与使用 synchronized 方法和语句所访问的隐式监视器锁相同的一些基本行为和语义，但功能更强大

ReentrantReadWriteLock

• 读写锁接口ReadWriteLock的实现类，它包括Lock子类ReadLock和WriteLock。ReadLock是共享锁，WriteLock是独占锁

StampedLock

• StampedLock控制锁有三种模式(写，读，乐观读)，一个StampedLock状态是由版本和模式两个部分组成，锁获取方法返回一个数字作为票据stamp，它用相应的锁状态表示并控制访问，数字0表示没有写锁被授权访问。在读锁上分为悲观锁和乐观锁

CountDownLatch

• 是一个同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待

CyclicBarrier

• 是一个同步辅助类，它允许一组线程互相等待，直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)。在涉及一组固定大小的线程的程序中，这些线程必须不时地互相等待，此时 CyclicBarrier 很有用。因为该 barrier 在释放等待线程后可以重用，所以称它为循环 的 barrier

Phaser

• 可以实现CyclicBarrier和CountDownLatch类似的功能，而且它支持对任务的动态调整，并支持分层结构来达到更高的吞吐量

Semaphore

• 是一个计数信号量，从概念上讲，信号量维护了一个许可集。如有必要，在许可可用前会阻塞每一个 acquire()，然后再获取该许可。每个 release() 添加一个许可，从而可能释放一个正在阻塞的获取者。但是，不使用实际的许可对象，Semaphore 只对可用许可的号码进行计数，并采取相应的行动。通常用于限制可以访问某些资源(物理或逻辑的)的线程数目

Exchanger

• 用于线程协作的工具类, 主要用于两个线程之间的数据交换。它提供一个同步点，在这个同步点，两个线程可以交换彼此的数据。这两个线程通过exchange()方法交换数据，当一个线程先执行exchange()方法后，它会一直等待第二个线程也执行exchange()方法，当这两个线程到达同步点时，这两个线程就可以交换数据了

线程池

常用工具包

• 使用commons-lang3包下的类进行创建
• 使用com.google.guava包下的类进行创建
• 使用spring配置线程池方式进行创建

规避事项

说明

• 线程池不允许使用Executors去创建，而是通过ThreadPoolExecutor的方式，这样的处理方式让写的同学更加明确线程池的运行规则，规避资源耗尽的风险

问题分析

• newFixedThreadPool和newSingleThreadExecutor
  • 主要问题是堆积的请求处理队列是无界队列，可能会耗费非常大的内存，甚至OOM
• newCachedThreadPool和newScheduledThreadPool
  • 主要问题是线程数最大数是Integer.MAX_VALUE，可能会创建数量非常多的线程，甚至OOM

配置线程池需要考虑因素

• CPU密集型: 尽可能少的线程，Ncpu+1
• IO密集型: 尽可能多的线程, Ncpu*2，比如数据库连接池
• 混合型: CPU密集型的任务与IO密集型任务的执行时间差别较小，拆分为两个线程池；否则没有必要拆分
• 从任务的优先级，任务的执行时间长短，任务的性质(CPU密集/ IO密集)，任务的依赖关系这四个角度来分析。尽可能地使用有界的工作队列

常见问题

sleep和wait的区别

• sleep是线程中的方法，但是wait是Object中的方法
• sleep方法不会释放资源锁，但是wait会释放资源锁，而且会加入到等待队列中
• sleep方法不依赖于同步器synchronized，但是wait需要依赖synchronized关键字
• sleep不需要被唤醒（休眠之后推出阻塞），但是wait需要（不指定时间需要被别人中断）

类锁和对象锁的区别

• 类锁
  • 类锁是加在类上的，而类信息是存在 JVM 方法区的，并且整个 JVM 只有一份，方法区又是所有线程共享的，所以类锁是所有线程共享的
  • 作用于静态变量锁、静态方法锁、类锁
• 对象锁
  • 作用于实例对象上，对同一个对象进行锁定区调用时，会进行锁竞争
  • 作用于非静态变量锁、非静态方法锁、this锁