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【Java进阶】并发编程

日期：2019-04-28点击：392收藏

【Java进阶】并发编程

概述

三种性质
可见性：一个线程对共享变量的修改，另一个线程能立刻看到。缓存可导致可见性问题。
原子性：一个或多个CPU执行操作不被中断。线程切换可导致原子性问题。
有序性：编译器优化可能导致指令顺序发生改变。编译器优化可能导致有序性问题。
三个问题
安全性问题：线程安全
活跃性问题：死锁、活锁、饥饿
性能问题：
使用无锁结构：TLS，Copy-On-Write，乐观锁；Java的原子类，Disruptor无锁队列
减少锁的持有时间：让锁细粒度。如ConcurrentHashmap；再如读写锁，读无锁写有锁

Java内存模型

volatile
C语言中的原意：禁用CPU缓存，从内存中读出和写入。
Java语言的引申义：
Java会将变量立刻写入内存，其他线程读取时直接从内存读（普通变量改变后，什么时候写入内存是不一定的）
禁止指令重排序
解决问题：
保证可见性
保证有序性
不能保证原子性
Happens-Before规则（H-B）
程序顺序性规则：前面执行的语句对后面语句可见
volatile变量规则：volatile变量的写操作对后续的读操作可见
传递性规则：A H-B B，B H-B C，那么A H-B C
管程中锁的规则：对一个锁的解锁 H-B于后续对这个锁的加锁

互斥锁sychronized

锁对象：非静态this，静态Class，括号Object参数
预防死锁：
互斥：不能破坏
占有且等待：同时申请所有资源
不可抢占：sychronized解决不了，Lock可以解决
循环等待：给资源设置id字段，每次都是按顺序申请锁
等待通知机制：
wait、notify、notifyAll
复制代码
class Allocator {
private List

Object from, Object to){ // 经典写法 while(als.contains(from) || als.contains(to)){ try{ wait(); }catch(Exception e){ } } als.add(from); als.add(to);

}
// 归还资源
synchronized void free(

Object from, Object to){ als.remove(from); als.remove(to); notifyAll();

}
}
复制代码

线程的生命周期

通用线程的生命周期：

Java线程的生命周期：

状态流转：
RUNNABLE -- BLOCKED：线程获取和等待sychronized隐式锁
ps：调用阻塞式API时，不会进入BLOCKED状态，但对于操作系统而言，线程实际上进入了休眠态，只不过JVM不关心。
RUNNABLE -- WAITING：
Object.wait()
Thread.join()
LockSupport.park()
RUNNABLE -- TIMED-WAITING：调用各种带超时参数的线程方法
NEW -- RUNNABLE：Thread.start()
RUNNABLE -- TERMINATED：线程运行完毕，有异常抛出，或手动调用线程stop()

线程的性能指标

延迟：发出请求到收到响应
吞吐量：单位时间内处理的请求数量
最佳线程数：
CPU密集型：线程数 = CPU核数 + 1
IO密集型：线程数 = （IO耗时/CPU耗时 + 1）* CPU核数

JDK并发包

Lock：lock、unlock
互斥锁，和sychronized一样的功能，里面能保证可见性
Condition：await、signal
条件，相比于sychronized的Object.wait，Condition可以实现多条件唤醒等待机制
Semaphore：acquire、release
信号量，可以用来实现多个线程访问一个临界区，如实现对象池设计中的限流器
ReadWriteLock：readLock、writeLock
写锁、读锁，允许多线程读，一个线程写，写锁持有时所有读锁和写锁的获取都阻塞（写锁的获取要等所有读写锁释放）
适用于读多写少的场景
StampedLock：tryOptimisticRead、validate
写锁、读锁（分悲观读锁、乐观读锁）：
线程同步：
CountDownLatch：一个线程等待多个线程
初始化 --> countDown（减1） --> await（等待为0）
CyclicBarrier：一组线程之间相互等待
初始化 --> 设置回调函数（为0时执行，并返回原始值） --> await（减1并等待为0）
并发容器：
List：
CopyOnWriteArrayList：适用写少的场景，要容忍可能的读不一致
Map：
ConcurrentHashMap：分段锁
ConcurrentSkipListMap：跳表
Set：
CopyOnWriteArraySet：同上
ConcurrentSkipListSet：同上
Queue：
分类：阻塞Blocking、单端Queue、双端Deque
单端阻塞（BlockingQueue）：Array～、Linked～、Sychronized～、LinkedTransfer～、Priority～、Delay～
双端阻塞（BlockingDeque）：Linked～
单端非阻塞（Queue）：ConcurrentLinked～
双端非阻塞（Deque）：ConcurrentLinked～
原子类：
无锁方案原理：增加了硬件支持，即CPU的CAS指令
ABA问题：有解决ABA问题的需求时，增加一个递增的版本号纬度化解
分类：原子化基本数据类型，原子化引用类型、原子化数组、原子化对象属性更新器、原子化累加器
Future：
Future：cancel、isCanceled、isDone、get
FutureTask：实现了Runnable和Future接口
强大工具类
CompletableFuture：一个强大的异步编程工具类（任务之间有聚合关系），暂时略
CompletionService：批量并行任务，暂时略

线程池

设计原理：
用生产者消费者模型，线程池是消费者，调用者是生产者。
线程池对象里维护一个阻塞队列，一个已经跑起来的工作线程组ThreadsList
ThreadList里面循环从队列中去Runnable任务，并调用run方法
复制代码
1 // 简化的线程池，仅用来说明工作原理
2 class MyThreadPool{
3 // 利用阻塞队列实现生产者 - 消费者模式
4 BlockingQueue workQueue;
5 // 保存内部工作线程
6 List threads
7 = new ArrayList<>();
8 // 构造方法
9 MyThreadPool(int poolSize,
10 BlockingQueue workQueue){
11 this.workQueue = workQueue;
12 // 创建工作线程
13 for(int idx=0; idx14 WorkerThread work = new WorkerThread();
15 work.start();
16 threads.add(work);
17 }
18 }
19 // 提交任务
20 void execute(Runnable command){
21 workQueue.put(command);
22 }
23 // 工作线程负责消费任务，并执行任务
24 class WorkerThread extends Thread{
25 public void run() {
26 // 循环取任务并执行
27 while(true){ ①
28 Runnable task = workQueue.take();
29 task.run();
30 }
31 }
32 }
33 }
34
35 / 下面是使用示例 /
36 // 创建有界阻塞队列
37 BlockingQueue workQueue =
38 new LinkedBlockingQueue<>(2);
39 // 创建线程池
40 MyThreadPool pool = new MyThreadPool(
41 10, workQueue);
42 // 提交任务
43 pool.execute(()->{
44 System.out.println("hello");
45 });
复制代码
ThreadPoolExcutor
参数
corePoolSize：线程池保有的最小线程数
maximumPoolSize：线程池创建的最大线程数
keepAliveTime：工作线程多久没收到任务，被认为是闲的
workQueue：工作队列
threadFactory：通过这个参数自定义如何创建线程
handler：任务拒绝策略
默认为AbortPolicy，会抛出RejectedExecutionException，这是个运行时异常，要注意
方法
void execute()
Future submit(Runnable task | Callable task)