一 并發(fā)編程基礎(chǔ)知識(shí)

1.1 概念

并發(fā)編程是你編寫(xiě)的代碼有可能在多線程環(huán)境中執(zhí)行，

1.2 為什么要用并發(fā)編程模型？

• 1. 更加充分的利用多多個(gè)處理器的計(jì)算能力
• 2. 使得應(yīng)用程序獲得更快的響應(yīng)時(shí)間
• 3. 為程序員提供更好的編程模型

1.3 并發(fā)量是越大越好嗎？

程開(kāi)多了不一定好，因?yàn)橛芯€程上下文切換的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)；有可能多線程程序時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)更長(zhǎng)

• 如何減少線程的上下文切換次數(shù)？
  • 無(wú)鎖并發(fā)編程；例如currenthashmap一定程度上就是采用這種策略
  • CAS算法：（campare and swap）
  • 使用最少的線程
  • 使用協(xié)程（單線程里面維持多個(gè)任務(wù)的切換）

1.4 Java的內(nèi)存模型JMM

JMM內(nèi)存模型

如上圖所示，每一個(gè)線程都保存有共享變量的一份備份，并發(fā)編程的關(guān)鍵之出就是在于怎么保證每一個(gè)現(xiàn)成的本地變量和主存中共享變量的值統(tǒng)一

1.5 順序一致性和指令重排序

• 指令重排序：java 編譯器和cpu再保證單線程中最終語(yǔ)義不變的情況下為了提高程序的執(zhí)行效率會(huì)改變程序指令的執(zhí)行順序，

class RecorderExample{
  int a = 0;
  boolean flag = false;
  public void writer() {
    a = 1;                  //1 
    flag = true           //2 
  }
  public void reader() {
   if(flag) {               //3
    int i = a*a;          //4
  }
  }
}

如上程序，單線程環(huán)境重步驟1和步驟2完全是可以重排序的，但是在多線程環(huán)境下，步驟1和步驟2重排序就有可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。

• 順序一致性
  • a) 一個(gè)線程中所有的操作必須按照程序的順序來(lái)執(zhí)行
  • b）所有線程都只能看到一個(gè)單一的操作執(zhí)行順序。

1.6 Happens-before簡(jiǎn)介

在JMM中如果一個(gè)操作的結(jié)果需要對(duì)另外一個(gè)操作可見(jiàn)，那么這兩個(gè)操作之間必須存在happens-before關(guān)系； 這兩個(gè)操作既可以是在同一個(gè)線程中，也可以在不同的線程中。具體原則如下：

• 1 程序順序規(guī)則：一個(gè)線程中每個(gè)操作happens-before于該線程中任意后續(xù)操作
• 2 監(jiān)視器鎖規(guī)則：對(duì)一個(gè)鎖的解鎖happens-before于隨后對(duì)這個(gè)鎖的加鎖操作
• 3 volatile變量規(guī)則：對(duì)一個(gè)volatile域的寫(xiě)，happens-before于任意后續(xù)對(duì)這個(gè)volatile域的讀。
• 4 傳遞性：如果A happens-before于B，且B happens-before C，那么A happens-before C
• 5 start()規(guī)則：如果線程A執(zhí)行操作ThreadB.start()（啟動(dòng)線程B），那么A線程的ThreadB.start()（啟動(dòng)線程B）操作happens-before于線程B中的任意操作。
• 6 join() 規(guī)則：如果線程A執(zhí)行操作ThreadB.join()并成功返回，那么線程B中的任意操作happens-before于線程A從ThreadB.join()操作成功返回。

二 Java如何實(shí)現(xiàn)并發(fā)編程

2.1 多線程的實(shí)現(xiàn)方式

• 1 繼承Thread類創(chuàng)建線程 單繼承，多個(gè)線程不能共享同一個(gè)資源
• 2 實(shí)現(xiàn)runnable接口 可以再繼承其他類，多個(gè)線程可以共享統(tǒng)一資源
• 3 實(shí)現(xiàn)Callable接口

2.2 線程的狀態(tài)

• 新建態(tài) New
• 就緒態(tài) Ready
• 運(yùn)行態(tài) Running
• 死亡態(tài) Terminated
• 阻塞態(tài) Blocked 等待鎖
• 等待態(tài) Wating 需要等待其他線程做特定的操作（喚醒或者中斷）
• 超時(shí)等待 TimedWaiting
  查看某一個(gè)進(jìn)程的狀態(tài)，先通過(guò)jps查看所有的Java進(jìn)程，然后通過(guò)jstack分析查看每一個(gè)線程的狀態(tài)。
  
  線程狀切換圖

2.3 線程之間的通訊

• 1 通過(guò)共享內(nèi)存

  • 1.1 volatile和sychrnized關(guān)鍵字
    • 由于線程有部分自己的存戶空間存儲(chǔ)共享變量的copy，所以看到的變量的值不一定是最新的。volatile關(guān)鍵修飾的變量可以告訴線程，訪問(wèn)某一個(gè)變量的值必須要去主存進(jìn)行讀取。
    • sychronized 修飾的方法或者代碼塊確保同一時(shí)刻只有一個(gè)線程執(zhí)行方法或者塊中的代碼，保證線程對(duì)變量的訪問(wèn)的可見(jiàn)性和排他性
      • 代碼塊：使用monitorenter和monitorexit指令實(shí)現(xiàn)加鎖
      • 方法：依靠方法上面的ACC_SYNCHRONIZED來(lái)完成
      • 本質(zhì)上都是對(duì)一個(gè)對(duì)象的監(jiān)視器（monitor）進(jìn)行獲取這個(gè)監(jiān)視器是排他的一次只能有一個(gè)線程獲取。

• 2 通過(guò)信號(hào)（本質(zhì)上還是共享內(nèi)存）

  • 2.1 等待通知機(jī)制
    • 對(duì)象的wait()/notify
      • 釋放對(duì)象鎖，等待其他線程喚醒或者中斷
      • 通知一個(gè)/所有在對(duì)象上等待的線程，讓其從wait()方法中返回；前提是拿到對(duì)象的鎖
    • condition.await()/condition.signal()
      • 釋放lock鎖，等待其他線程喚醒或者中斷
      • 通知一個(gè)/所有在lock上等待的線程，讓其從await()方法中返回；前提是拿到對(duì)象的鎖
    • 經(jīng)典范式
      • 等待方
        • 獲取鎖對(duì)象
        • 如果條件不滿足，調(diào)用對(duì)象的wait()方法，被通知后仍然要檢查條件
        • 條件滿足則執(zhí)行相應(yīng)的邏輯
      • 通知方
        • 獲得對(duì)象的鎖
        • 改變條件
        • 通知所有等待在該對(duì)象上的線程

• 3 join的使用

  • thread.join的含義：當(dāng)前線程A等待thread線程終止之后才從thread.join()返回

三 并發(fā)編程中如何保證線程的安全性

3.1 保證線程安全的含義

• 可見(jiàn)性：保證某一個(gè)線程對(duì)共享資源的更該可以被其他線程看到
• 原子性：保證某一個(gè)線程對(duì)共享資源的一次更新是不會(huì)被中斷的

3.2 Java保證線程安全實(shí)現(xiàn)方式

• 1 通過(guò)鎖

  • 1.1 sychronized關(guān)鍵
    • a. 普通方法，鎖的是當(dāng)前調(diào)用該方法的實(shí)例
    • b. 對(duì)于靜態(tài)同步方法鎖的是，當(dāng)前的class對(duì)象
    • c. 對(duì)于同步代碼塊鎖的是Sychronized括號(hào)里面配置的對(duì)象

  JVM基于進(jìn)入和退出Monitor對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)方法和代碼塊同步的，兩者的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)不一樣；代碼塊同步使用的是，monitorenter和monitorexit指令實(shí)現(xiàn)，方法同步通過(guò)另外一種方式實(shí)現(xiàn)，但方法同步也可以通過(guò)該方式實(shí)現(xiàn)
  任何一個(gè)對(duì)象都有一個(gè)monitor與之關(guān)聯(lián)，當(dāng)一個(gè)monitor被持有之后，它將處于鎖定狀態(tài)
  JVM鎖種類:偏向鎖;輕量級(jí)鎖--->CAS 機(jī)制實(shí)現(xiàn);互斥鎖 ---> CAS 機(jī)制實(shí)現(xiàn)

各種鎖的優(yōu)缺點(diǎn)

• 1.2 Lock接口的實(shí)現(xiàn)類
  • 1.2.1 和sychronized的對(duì)象鎖區(qū)別
    • 嘗試非阻塞的方式獲取鎖 trylock()
    • 能夠被中斷的方式獲取鎖 lockInterruptibly()
    • 超時(shí)獲取鎖 tryLock(time)
    • 靈活性更高，自己是控制釋放
  • 1.2.2 隊(duì)列同步器AbstractQueuedSynchronizer
    • AbstractQueuedSynchronizer 用來(lái)構(gòu)建鎖和其他同步組件的基礎(chǔ)框架
    • 鎖是面向使用者的，定義了使用者和鎖交互的接口，隱藏了實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，同步器面向的是鎖得實(shí)現(xiàn)者，簡(jiǎn)化了鎖的實(shí)現(xiàn)方式，屏蔽了同步狀態(tài)管理，線程的排隊(duì)，等待和喚醒等底層操作，鎖和同步器很好的隔離了使用者和實(shí)現(xiàn)者所需要關(guān)注的領(lǐng)域。
    • 隊(duì)列同步器的實(shí)現(xiàn)
      • 通過(guò)一個(gè)內(nèi)部隊(duì)列實(shí)現(xiàn)，同步器擁有這個(gè)隊(duì)列的頭結(jié)點(diǎn)和尾節(jié)點(diǎn)，如果獲取鎖失敗則將該線程加入到同步隊(duì)列中
      • 獨(dú)占式同步狀態(tài)的獲取和釋放
        • 在獲取同步狀態(tài)時(shí)，同步器維護(hù)一個(gè)同步隊(duì)列，獲取狀態(tài)失敗的線程都會(huì)被加入到這個(gè)隊(duì)列中并在隊(duì)列中進(jìn)行自旋 移出同步隊(duì)列（停止自旋）的條件是前驅(qū)節(jié)點(diǎn)為頭結(jié)點(diǎn)并且成功獲取了同步狀態(tài)；
        • 釋放同步狀態(tài)時(shí)，同步器調(diào)用tryReleases（）方法，然后喚醒頭結(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)。
  • 1.2.3 Lock接口實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)類圖

• 2 通過(guò)volatile+cas操作

  • 2.1 volatile

    • 可見(jiàn)性,
      一個(gè)volatile變量的讀總能看到任意線程對(duì)這個(gè)變量的最后一次寫(xiě)入；
    • 原子性
      對(duì)任意單個(gè)volatile變量讀/寫(xiě)具有原子性，但類似于volatile++這種復(fù)合操作不具有原子性
    • volatile寫(xiě)的內(nèi)存語(yǔ)義
      當(dāng)寫(xiě)一個(gè)volatile變量時(shí)，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量刷新到主存中
    • volatile讀的內(nèi)存內(nèi)存語(yǔ)義
      當(dāng)讀一個(gè)volatile變量時(shí)，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存置為無(wú)效，線程接下來(lái)將從主存中讀取共享變量
    • 通過(guò)插入內(nèi)存屏障禁止指令重排序達(dá)到目的

  • 2.2 CAS操作保證操作的原子性

    • 2.2.1 循環(huán)的進(jìn)行CAS操作指導(dǎo)成功為止，
    • 2.2.2 CAS 實(shí)現(xiàn)原子操作的三大問(wèn)題
      • A：ABA問(wèn)題：
        問(wèn)題描述：即線程A將共享變量的值從A變到B再?gòu)腂變到A，線程B認(rèn)為沒(méi)有發(fā)生變化
        解決辦法：增加版本號(hào)機(jī)制，每次更該版本號(hào)+1
      • B：循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開(kāi)銷(xiāo)大問(wèn)題
        如果JVM支持pause指令來(lái)解決
        a. 可以延遲流水線執(zhí)行指令,使得CPU不會(huì)消耗過(guò)多的資源
        b. 它可以避免在退出循環(huán)的時(shí)候，因內(nèi)存順序沖突而引起的CPU流水線被清空，從而提高CPU的執(zhí)行效率
      • C：只能保證一個(gè)共享變量的原子操作
        多個(gè)變量封裝成一個(gè)對(duì)象來(lái)解決

四 Java線程池的實(shí)現(xiàn)原理

1 為什么要使用線程池？

• 降低資源的消耗
• 提高響應(yīng)速度
• 提高線程的可管理性

2 組成線程池的關(guān)鍵元素

線程池原理圖

• maxinumPool 最大線程數(shù)
• corePool 核心線程數(shù)
• BlockingQueue<Runnable> 阻塞隊(duì)列用來(lái)存儲(chǔ)任務(wù)的
• Time 線程的空轉(zhuǎn)最大時(shí)間
• RejectedExecution ： 當(dāng)線程數(shù)量達(dá)到最大線程數(shù)量，阻塞隊(duì)列也滿了，怎么處理新提交的任務(wù)
  • 1、直接丟棄（DiscardPolicy）
  • 2、丟棄隊(duì)列中最老的任務(wù)(DiscardOldestPolicy)。
  • 3、拋異常(AbortPolicy)
  • 4、將任務(wù)分給調(diào)用線程來(lái)執(zhí)行(CallerRunsPolicy)。

3 一個(gè)線程具體的提交流程如下：

線程提交流程圖

4 如何關(guān)閉線程池

• shutdownNow()
  先將線程池設(shè)置成stop狀態(tài)，遍歷線程調(diào)用每一個(gè)線程的Interrupt方法來(lái)中斷線程
• shutDown()
  將線程池設(shè)置為SHUTDUWN狀態(tài)，然后中斷所有沒(méi)有任務(wù)執(zhí)行的線程

5 合理配置線程池

• 任務(wù)性質(zhì)：CPU密集型，IO密集型
• 任務(wù)的優(yōu)先級(jí)：高中低
• 任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)度：長(zhǎng)中短
• 任務(wù)的依賴性：是否依賴其他系統(tǒng)資源，

五 Executor框架簡(jiǎn)介

Java5開(kāi)始講線程的任務(wù)由原來(lái)的即負(fù)責(zé)工作單元也復(fù)制執(zhí)行機(jī)制拆分為，工作單元由：Runnable和Callable負(fù)責(zé)，而執(zhí)行機(jī)制由Executor負(fù)責(zé)

5.1 Executor框架簡(jiǎn)介

Executor框架原理

Executor框架由三部分組成

• 5.1.1 任務(wù)：實(shí)現(xiàn)Runnable和Callable接口的任務(wù)
• 5.1.2 任務(wù)的執(zhí)行：繼承自Executor接口的ExecutorService接口，框架又由兩個(gè)核心的實(shí)現(xiàn)接口（ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor）

  • 5.1.2.1 ThreadPoolExecutor
    一般使用工廠類Executors來(lái)創(chuàng)建，主要有三種類型的ThreadPoolExecutor

    • FixedThreadPool 創(chuàng)建固定線程數(shù)量的線程池
    • SingleThreadPoolExecutor 單個(gè)線程的線程池，順序地執(zhí)行各個(gè)任務(wù)，
    • CacheThreadPool 大小無(wú)界的線程池：適用于很多短期異步任務(wù)的小程序

  • 5.1.2.1 ScheduledThreadPoolExecutor

    • ScheduledThreadPoolExecutor 包含若干線程的 ScheduledThreadPoolExecutor；適合多個(gè)后臺(tái)線程執(zhí)行周期任務(wù)，同時(shí)為了滿足資源管理的需求而需要限制后臺(tái)線程的數(shù)量的應(yīng)用場(chǎng)景
    • SingleThreadScheduledPoolExecutor 單個(gè)后臺(tái)線程執(zhí)行周期任務(wù)

• 5.1.3 異步計(jì)算的結(jié)果：Future和實(shí)現(xiàn)Future接口的FutureTask類

  
  
  Executor使用示意圖

5.2 ThreadPoolExecutor詳解

關(guān)鍵組成要素前一章節(jié)已經(jīng)闡述過(guò)，這里主要闡述3種線程池的區(qū)別

• FixedThreadPoolExecutor
  阻塞隊(duì)列LinkedBlockingQueue, 線程池中的線程不會(huì)達(dá)到corePoolSize
• SingleThreadPoolExecutor
  LinkedBlockingQueue 無(wú)界隊(duì)列，
• CacheThreadPoolExecutor
  使用SynchronouusQueue作為線程池的工作隊(duì)列，該隊(duì)列不存儲(chǔ)元素

5.3 ScheduledThreadPoolExecutor詳解

• 用來(lái)執(zhí)行周期性任務(wù)
• 使用delayQueue這個(gè)無(wú)界隊(duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)，該隊(duì)列封裝了ProrityQueue會(huì)對(duì)隊(duì)列中的元素會(huì)進(jìn)行排序

• 提交的任務(wù)為ScheduledFutureTask類型的任務(wù)

  
  
  ScheduledThreadPoolExecutor任務(wù)執(zhí)行步驟

5.4 FutureTast詳解

• 1 FutureTask實(shí)現(xiàn)了Runable和Future兩個(gè)接口,有三種狀態(tài)：
  • 未啟動(dòng)
  • 已啟動(dòng)

  • 已完成

    
    
    FutureTask狀態(tài)切換圖
    
    

    FutureTask處于未啟動(dòng)或者已啟動(dòng)時(shí)調(diào)用get方法將會(huì)導(dǎo)致調(diào)用點(diǎn)成阻塞，F(xiàn)utureTask處于完成狀態(tài)是則返回對(duì)應(yīng)的結(jié)果或者跑出異常

• 2 FutureTask實(shí)現(xiàn)原理
  FutureTask是基于AbstractQueueSynchronizer同步器實(shí)現(xiàn)。

  
  
  FutureTask設(shè)計(jì)示意圖

參考文獻(xiàn)

《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》