java并发编程实战总结（一）

1. 前言

该书由Doug Lea之外的另外一位Java并发大神Brian Goetz和Tim Peierls合著，算是Java并发领域的一本经典书籍。此书从2013年入手之后，拿起放下了三次。之前两次自己对并发的研究还不是很深，基本属于一知半解，工作当中也极少用到并发，看了就忘。最近半年在阅读JDK源代码，特别是阅读完部分java.util.concurrency包之后，对并发的感觉更深。这个时候回头来看看这本书，才真正体会到了其中的真谛，确实是字字珠玑。

本文记录下自己阅读完获得的一些感悟，具体的API就不会在这里叙述，记录更多设计和方法的部分，欢迎读者一同探讨。

2. 当我们讨论线程问题，我们在说什么

当我们讨论线程问题时，其实关注的是两个概念：可见性与原子性。

可见性

可见性就是对于AB两个线程共同操作了一个变量V，设计中A先修改了变量V；那么，A对V的修改对B是否可见。

在单线程环境中，如果向某个变量先写入值，然后在没有其他写入操作的情况下读取这个变量的值，那么总能得到相同的值。听起来似乎是一个很简单的问题，其实不然。

在多线程和现代处理器的环境下，上述的过程就没有那么的简单。

当读线程和写线程在不同的线程中执行时，我们无法确保执行读操作的线程能适时的看到其他线程写入的值。另外在现代处理器中，一个CPU通常包含多个核。变量V的修改并非直接在内存中修改，而是现在某个核的寄存器和本地缓存中进行修改，然后再写入到内存中。这个时候，V的修改才会对其他核上的线程可见。要实现这些功能，Java通过一系列的CPU指令帮我们除了了不同CPU厂商之间的实现差异。通过内存屏障，在CPU处理到内屏屏障时，强制将本地缓存中的变量值与其他CPU同步实现可见性的语义。

原子性

原子性就是保证操作是原子的，所有中间状态都不会被其他线程访问到。

比如对一个Int的赋值x = 1;可以认为是原子的。但是自增操作x++;就不是原子的，因为需要三条jvm指令去完成它：1. 读取变量x；2. 对变量x加1；3.将结果赋值给变量x。如果在多线程环境下，因为时序的关系就可能导致x最终出现多个值。那么这个时候，自增操作就不能称为是原子的，非原子的状态操作就是线程不安全的。

2.1 安全性问题

在前面我们提到了，如果多线程环境下不满足可见性和原子性，就会发生线程不安全，那到底什么是线程安全呢？在书中这么定义：

当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些线程将如何交替执行，并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协调，这个类都能表现出正确的行为，那么就称这个类是线程安全的。

在这个定义下有这么几个描述需要进一步说明：1）正确的行为；2）主调代码中不需要任何额外的同步或协调。

2.1.1 正确的行为

什么是正确的行为？正确的行为就是符合需求规范定义的行为，这些行为的描述一般都是遵照时间顺序的，比如：

如果事件A先发生，对变量X复制1；事件B后发生，对变量X复制2；那么X的值应该是2

上面的一个描述就是一个** Requirement Specification 需求规范 ** 。这些描述通常都是遵循 ** Sequential Consistency 顺序一致性 **，满足人脑的一般思维模式（思考事情的时候不会从平行宇宙，多维时空角度来想这件事情该怎么做）。

2.1.2 额外的同步或协调

我们说一个类不是线程安全的，应该指的是这个类在没有额外的同步或协调下，会产生可见性和原子性等问题，例如我们经常说HashMap是非线程安全的，其实就是说使用HashMap如果要达到可见性和原子性的要求。

我们通过Collections.synchronizedMap(hashmap)进行包装之后，hashmap就变成了线程安全的类。如果翻看源码，其实Collections.synchronizedMap(hashmap)所做的事情，就是加了一段装饰而已：

synchronized(mutex){
hashmap.xxx();
}

如果将这段放在调用处，也可以让一个HashMap编程线程安全，但就加上了额外的同步和协调，就没办法说明HashMap是线程安全的。

2.2 活跃性问题

如果说线程的安全性是指“永远不发生糟糕的事情”， 那么线程的活跃性就是指“某件正确的事情最终会发生”。当某个操作无法继续执行下去时，就会发生活跃性问题。在串行程序中，表现为死循环——死循环外的正确的事情永远不会发生。

在多线程环境下，通常表现为阻塞或挂起。例如线程A等待线程B持有的某个资源，而线程B一直不释放，那么A就会永久的等待下去。还有包括死锁、饥饿、活锁等，这些都属于活跃性问题。

2.3 性能问题

如果说线程的活跃性问题是指“某件正确的事情最终会发生”，那么性能问题就是指“某件正确的事情最终会发生，应该尽快发生”。性能问题包含很多方面，如服务时间过长、响应不灵敏、吞吐率过低、资源消耗过高或者伸缩性较低等。

3. Java为我们提供的线程安全基础设施有哪些？

Java 自1.5开始，提供了功能强大的java.util.concurrency包，其中提供了大量的并发工具供不了解并发的我们使用，帮助构建线程安全的程序。当然，里面大部分是Doug Lea大神写的。

3.1 内置锁

看新的东西之前，还是要看到Java提供的 synchronized关键字。自1.2版本开始Java就把该关键词作为了最基础的同步机制，称为内置锁。内置锁可以作用在方法、代码块中，作用在方法时表示用该类的当前实例作为锁对象加锁。

如果线程（注意，讨论的对象是线程）需要访问实例的同步方法，则需要先获取实例的内置锁，在执行完成后自动释放。如果该实例的锁已经被另外的线程获取，则当前线程会在该锁上排队等待，等待之前一个线程释放锁。锁的获取与释放都通过编译器加入monitor_enter和montior_exit指令实现。

内置锁一度是java中进行同步的唯一方法，很多遗留方法还是使用了内置锁进行同步，比如著名的Vertex，Collections里面的同步包装器等。在1.6之后，内置锁的性能也得到了很大的提升，在还未具备很强的并发经验之前，还是应该优先选择内置锁。

之所以之后，会产生更多的工具来替代内置锁的部分功能，主要是因为内置锁的最大缺点——无法控制。上面我们说了，内置锁是通过编译器和JVM指令实现的，因此在程序员角度无法对加锁和解锁行为进行太多的控制；另外内置锁也是不可中断，而且错综复杂的调用关系会让内置锁的加锁组合、加锁顺序变得难以管理。因此，Java在1.5中加入了Lock接口和对应实现，称为显示锁。

3.2 显示锁（Lock, Condition, 条件谓语）

显式锁的顶层接口为Lock，提供了ReenterantLock, ReadWriteLock等实现。

使用Lock的一个模式如下：

Lock lock = new ReentrantLock();
...
lock.lock();
try {
// 更新对象状态
// 捕获异常，并在必要时回复不变性条件
} finally {
lock.unlock();
}

3.3 信号量、栅栏、闭锁

Lock本质上开始一个开闭锁，只有开闭两个状态。在应用中，通常还会衍生出很多其他的需求。比如一个并行计算的需求，存在一个100万个数据集合，求这100万个数的和。单线程的场景就是把这些数从第一个加到最后一个，最后输出。在多核环境下，我们可以将这个问题并行化，把100万数据分成100份每份1万数据，然后由一个线程进行计算，最后将这100个线程的计算结果相加就是这100万个数据的最终结果。

由于调度机制的原因，这100个线程可能会以任意的顺序结束，但只有这100个线程全部完成的时候我们才能获得最终结果。因此需要一定的协调机制，在100个线程都结束时，调用最后的结果输出程序。这个需求都可以通过信号量、栅栏、闭锁等实现。具体实现等有时间再写一篇文章介绍（又给自己挖了坑）。

3.4 Non-blocking算法和Lock free算法

我们在2.2节中提到了活跃性和性能，通过同步处理的多线程问题，都或多或少的影响了活跃性和性能。比如线程A获得了一个锁并在执行一些耗时的计算，如果线程B同样想获得这个锁，那么程序的活跃性和性能就收到了影响。

java 1.5之后，jvm开始支持硬件的CAS(Compare and Swap)指令，CAS接受三个参数(variable, expectedValue, newValue)。CAS的语义是这样的，如果变量variable的值和expectedValue相等，那么就将variable赋值为newValue；如果和expectedValue不相等，就返回失败。

jdk1.5 使用CAS操作引入了AtomicInteger等一些列原子量，可以保证“先检查再修改”引起的多线程安全问题。听起来很高大上，其实就是一个乐观锁的思路，假设在当前线程修改期间，其他线程不会对原数据进行修改。在写入之前做一次检查，如果被修改了，则进行重试，重试到成功为止。典型代码如下：

while(true){
int old = getState(); // 1. 读取旧制
int new = old + 1; // 2.对旧值做出修改
if(CAS(old, new){ //
return true;
}
}