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并发编程

2022-03-11 00:28:20   1  举报

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AI智能生成

并发编程关键知识

java并发

JUC

作者其他创作

大纲/内容

基础概念整理

为什么需要并发

充分利用多核CPU的计算能力

方便业务拆分，提示系统的并发能力和性能

并发编程的缺点：内存泄漏、死锁、线程安全、上下文切换等

并发编程3要素

原子性：一批操作要么全部成功要么全部失败

可见性：一个线程对共享变量的修改，其它线程能立即看到（synchronize、volatile）

有序性：指令重排序，需按照代码定义的先后顺序执行

线程安全出现的原因和解决方法

线程切换导致的原子性问题：Atomic开头的原子类、synchronize、lock方法解决

变量缓存导致的可见性问题：synchronize、volatile、lock方法解决

编译优化带来的有序性问题：happens-before原则

线程与进程的区别

根本区别：线程是处理器调度和执行的基本单位，进程是操作系统资源分配的基本单位

资源开销：进程拥有自己独立的代码和数据空间（程序上下文），切换有较大开销；同一类线程共享代码和数据空间，有自己独立的运行栈和程序计数器PC，线程切换开销小

包含关系：进程可包含一个或多个线程

内存分配：同一线程共享地址空间和资源；进程之间的空间和资源是相互独立的

健壮性：一个线程奔溃会关闭整个进程；而一个进程关闭不会影响到其它进程

执行过程：每个进程有独立的程序入口、执行过程、程序出口；线程不能单独运行，由进程进行控制

上下文切换相关

什么叫做上下文切换：线程的CPU时间片使用完毕，进入就绪状态并保存相关的环境信息，线程从保存到加载这个过程就是一次上下文切换

上下文切换一般是计算密集型的，需要相当可观的CPU时间，频繁的切换意味着消耗大量的时间和资源

Linux系统相比其它操作系统，上下文切换的时间比较少

线程与线程池

死锁

概念：两个或两个以上的线程由于资源竞争或通信导致的一种阻塞现象

形成死锁的四个必要条件

互斥条件：线程对分配到的资源具有排他互斥性，资源只能被一个线程占用，直到被该线程释放

请求与保持条件：一个线程对资源的申请造成阻塞时，对已申请的资源占用保持不变

不可剥夺条件：线程对已获得的资源未使用完毕之前不可强行剥夺，只有自身使用完毕才释放

循环等待条件：发生死锁时，阻塞的线程之间会形成循环链路（死循环），造成永久阻塞

如何避免死锁（破坏其中一个必要条件）

破坏请求与保持条件：一次性的分配所有所需的资源

破坏不可剥夺条件：线程申请不到资源时，主动释放已申请的资源

破坏循环等待条件：按顺序申请资源，反序释放已申请的资源

创建线程的四种方式

继承Thread类：重写run方法-->new 该类-->调用start方法

实现Runable接口：重写run方法-->new该类-->Thread类接收该类-->调用线程的start方法

实现Callable接口：重写call方法-->new 该类-->用FutureTask接收该类-->用FutureTask作为参数给Thread类-->调用start方法

使用Executors工具类创建线程池：用Executors创建线程池-->用实现runable接口的类作为参数执行execute方法

为什么创建好线程调用的是start方法而不是run方法

从线程状态来说，new一个Thread，会进入新建状态，调用start方法，进入就绪状态，会等待操作系统调度执行run方法里面的代码逻辑，是真正的多线程操作

直接调用run方法，会被主线程当做一个普通方法去执行，还是在主线程内，不是多线程编程

线程池

executor与threadpoolexecutor 创建线程的区别

阿里巴巴规约约定，不要使用executors创建线程

executors：堆积的请求处理队列会占用很大的内存、线程最大数是Integer.MAX_VALUE，会创建过多的线程

threadpoolexecutor只有一种通过自己指定参数的方式创建线程

线程池核心参数

核心线程数（corepoolsize）：最小可同时运行的线程数量

最大线程数（maxnumpoollsize）：线程池中最大的工作线程数量

工作队列（workqueue）：新任务到来时当前运行的线程数达到核心线程数时，存放任务的存储单元

等待时间（keepAliveTime）：线程池中数量大于核心线程数时，没新任务提交，核心线程数外的线程销毁之前的等待时间

等待时间单位（unit）：等待时间的单位

线程工厂（threadFactory）：为线程池提供创建新线程的线程工厂

饱和拒绝策略（handler）：线程池任务队列超过最大定义数量且超过最大线程数的拒绝策略

线程池的拒绝策略

直接拒绝（abort），默认使用

伸缩队列使用策略（callerruns），不拒绝任务，调用自己的线程运行

直接丢弃（discard），不处理新任务，也不抛出异常

顺序丢弃（discardorders）：丢弃最早未处理的任务

JAVA内存模型（JMM）

概念

https://blog.csdn.net/suifeng3051/article/details/52611310

定义了JVM在计算机内存（RAM）中的工作方式，JMM隶属于JVM

线程之间的通信：指明线程之间以何种方式进行信息交换。分为共享内存和消息传递两个方式

共享内存：线程之间共享相同的变量，通过读写内存中的公共状态隐式地完成通信

消息传递：线程之间不通过共享变量，必须通过明确的消息发送来显式进行通信，比如常见的wait和notify方法

java线程之间通过共享内存模型的方式进行通信的模型，就是JMM

java内存模型理论基础

JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见

抽象角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存在于主内存中，每个线程有私有的本地内存存储变量副本

线程本地内存：抽象化的概念，并发真实存在，涵盖了缓存、缓冲区、寄存器等

线程之间若需要通信，A线程需要将A的本地内存的变量刷新到主内存，B线程需要从主内存读取变量并更新到B的本地内存。JMM控制了主内存与本地内存的交互

JVM对JMM的内存实现

JMM将内存模型分为两部分

线程栈区：每个线程独有，线程之间不共享，包含本地变量、原始数据类型，线程直接变量的传递只能通过副本的方式

堆区：包含了java应用创建的所有对象信息，不管是哪个线程创建的，包括原始数据类型的包装类，无论对象属于成员还是方法，都会存储到堆区

本地变量

可能是原始类型，也有可能是引用类型

栈区中本地变量的引用类型，只保存了引用的指针，对象的存储还是处于堆区

成员变量：不管是原始类型还是引用类型，都会存储到堆区

成员方法：方法中的本地变量存储到栈区，尽管它们所属的对象在堆区

static变量、类信息存储在堆区

硬件内存架构与JMM桥接关系

级别由内而外为：CPU内置寄存器-->CPU高速缓存Cache-->RAM主存

CPU访问主存步骤：RAM主存-->CPU Cache-->CPU寄存器。写入主存与此相反

JMM与硬件结构并无直接的关联，是一种互相交叉的关系。

硬件内存并无栈、堆的关系，大部分数据都会存储到主存之中，少部分会存储在CPU缓存和寄存器中

共享对象的可见性

多个线程同时操作同一个变量时，如果没有及时且有效的同步刷新主存、缓存机制，会影响可见性，导致线程安全问题

使用volatile关键字可以保证变量直接从主存读取，变量的更改也能及时刷新到主存。基于内存屏障实现

线程竞争现象

多个线程同时修改共享对象，就产生了竞争现象

举例：共享变量v=1，线程A加1，线程B同时也从主存读取了变量v并加1，此时无论哪个线程先刷新到主存，都只会保留一个结果。此处可以看出，volatile不能保证线程安全

解决：使用synchronize关键字，保证同一个时刻只有一个线程进入竞态区，同时该关键字也能保证所有变量从主存读取，退出代码块时也会及时刷新主存。

支撑JMM的基础原理

指令重排序

内存屏障：是一条CPU指令，插入一条该指令，能禁止重排序，同时强制刷出各项CPU缓存

如果一个变量是volatile修饰的，JMM会在写入这个字段之后插入一条写入屏障指令；并在读这个变量前插入读取屏障指令。

happens-before原则：避免指令重排序等编译优化导致的并发异常，规定了两个操作需要严格遵守的顺序

并发关键字

synchronize

控制线程同步，保证同一代码块同一时刻只有一个线程执行

早期属于重量级锁，基于底层操作系统的Mutex-Lock实现，涉及到用户态到内核态的转换，时间成本高。JDK6后从JVM层面进行了优化，如自旋锁、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁等技术减少开销

修饰实例方法：锁住当前对象；修饰静态方法：锁定当前类，作用于当前类的所有实例（注意锁住类和锁住实例不互斥）；修饰代码块：锁住指定的对象

使用举例：单例模式的double-check

底层原理：查看字节码反编译后的文件，发现使用synchronize关键字修饰的代码块进入之前，有monitorenter指令，离开代码块后有monitorexit指令，代表了获取锁和释放锁的过程（有两个monitorexit指令，其中一个是防止异常退出的）

可重入原理：维护一个计数器，线程每次获取锁都加1，释放时减1，直到0的代表锁未被持有，其它线程可以竞争获取锁。synchronize是可重入的

锁升级原理：锁对象头维护threadId字段，第一次获取锁时该字段为空，jvm让其持有偏向锁并将threadId置为当前线程ID；再次进入的时候如果threadID一致，可以直接使用该对象，否则升级为轻量级锁，并通过一定的自旋来获取锁；执行一定的自旋次数后仍没获取到锁，则会再次升级成重量级锁（目的：减少锁带来的性能消耗）

volatile

禁止指令重排序和保证内存变量可见性，提供happen-before保证

实践角度而言，与CAS共用，保证原子性，比如java.util.concurrent.automic包下的类，或加锁同步

可以创建一个volatile数组，但仅仅保护的是数组的引用，不对数组的元素内容进行保护

注意：修饰long和double变量可以保证原子性，因为它们是64位的，所以读写分为两次，额外保证了原子性

实践：单例模式的double-check机制

Lock与AQS体系

lock

lock接口比synchronize提供了更具扩展性的锁操作，可允许更灵活的结构

优势：锁更加公平、可在等待锁的时候响应中断、可尝试（在一定时间内获取锁）、在不同的范围以不同的顺序释放锁

详解：提供了无条件、可轮询（tryLock）、定时的（tryLock带参数）、可中断的（lockInterrupt）、可多条件队列（newCondition）锁操作。另外Lock的实现大部分支持公平与公平操作

锁