Java并发API案例分析之并发设计原理

目录

0、插播2020CSDN博客之星投票新闻

一、开篇

二、并发与并行

三、并发程序带来关键问题

1、数据竞争

2、死锁

3、活锁

4、资源不足

5、优先权反转

四、Java并发API（详细）

1、基本并发类

2、同步机制

3、执行器

4、Fork/Join框架

5、并发数据结构

五、并发设计模式

1、信号模型

2、会合模式

3、互斥模式

4、读写锁模式

5、线程池模式

6、线程局部存储模式

六、最后总结

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0、插播2020CSDN博客之星投票新闻

近日（1月11日-1月24日），2020CSDN博客之星评选正在火热进行中，作为码龄1年的小白有幸入选Top 200，首先很感谢CSDN官方把我选上，本来以为只是来凑热闹，看大佬们PK ^_^#。

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截至 2021-01-15 14:40:01

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一、开篇

在我之前写的许多关于Java网络编程的博文中，已经初步使用了多线程的技术，是java并发的相关应用案例。而现在，需要学习一些关于并发程序设计的原理，弄懂来龙去脉，相对更加深入地理解并发设计原理。而且我发现，前面学习Java网络编程之后，有了实践性的理解，再学习其相关原理，比较容易理解原理方面的知识。

这一篇记录一下我学习的重要知识，整理出来感觉更容易看到，也是方便以后重温学习查看！

二、并发与并行

很奇妙，并发和并行两个概念在操作系统的课程上有学习过，当时只是在操作系统层面上理论的学习，未涉及实际应用场景和编程语言。现在重温知识进一步学习，发现理解起来更实际了。

并发和并行概念有许多定义，整理一下好理解的几个：

并发是指2个或多个活动在同一时间间隔内发生，在多道程序设计中，是指在同一时间段内有多个程序任务同时运行，也就是宏观上同时执行，微观上是串行的。

并行是指在微观上多个任务同时执行，发生在同一个时间点上。显然，要求多个程序任务并行运行，就需要多个处理器，在单处理器系统中，只有并发而无并行

 在单个处理器上采用单核执行多个任务即为并发，操作系统的调度程序会很快从一个任务切换到另一个任务，因此看起来所有任务都是同时运行的。而同一时间在不同处理器或处理器核心上同时执行多个任务，就是并行。

最关键的还是并发原理以及设计，在并发中一个重要概念“同步”由此引出。

同步是一种协调两个或多个任务以获得预期结果的机制。包括：

1. 控制同步：任务依赖关系。当一个任务的执行需要依赖于另一个任务的结束时，第二个任务不能在前者完成之前开始。
2. 数据访问同步：当两个或多个任务访问共享变量时，在任意时间里，只有一个任务可以访问该变量。

与同步密切相关的一个概念是临界段，它是一段代码，用来保证在任意时间内只有一个任务能够访问共享资源。而互斥就是用来保证这个临界段的机制。

三、并发程序带来关键问题

并发程序的编写设计需要在同步/互斥机制上做许多工作，才能保证并发程序正确执行。所以，需要关注下面几个关键问题。

1、数据竞争

简单来说，就是多个任务对共享变量进行写入操作，而没有同步机制的临界段作为约束，程序就存在数据竞争。

public class Account{
    private float balance;
    public void modify(float difference){
        float value=this.balance;
        this.balance=value+difference;
    }
}

 例如，上面的例子，如果存在两个任务执行同一个Account对象进行modify操作，初始balance=1000，最终应该是3000，但是如果两个任务同时执行了modify方法的第一条语句，又同时执行第二条语句，结果变为2000。因此，Account类不是线程安全的，没有实现原子操作和同步机制。

2、死锁

简单来讲，就是两个或多个任务正在等待另一线程释放的某个资源，而这个线程也正在等待前面的任务释放的资源，这样的并发程序就出现了死锁。

完全满足以下条件时候，就会导致死锁。

1. 互斥条件：死锁中的资源是不可共享的，一个时间段内只有一个任务可以使用该资源。
2. 请求和保持条件：任务已经保持了至少一个资源，但又提出新的请求，而该资源需要等待释放，此时该任务阻塞等待，同时不会释放自己获得的资源。
3. 非剥夺条件：资源只能被那些持有他们的任务释放。
4. 循环等待条件：任务1正等待任务2占用的资源，任务2又正在等待任务3占用的资源，……，这样出现循环等待。

处理死锁的方法有：预防、避免、检测、解除。这四个基本方法都有具体实现的算法。 

3、活锁

如果系统中有两个任务，总是因为对方的行为而改变自己的状态，就会出现活锁。

举个栗子，任务1、2都需要资源1、2，此时任务1拥有资源1并加锁，任务2拥有资源2并加锁。当他们无法访问所需资源时候，就释放自己的资源并开始新的循环，这样无限持续下去，两个任务都不会结束自己的执行过程。

4、资源不足

活锁就是一种资源不足的情况，当任务在系统中无法获取所需资源继续执行任务。

解决方法就是要确保公平原则。

5、优先权反转

当一个低优先权任务持有高优先权任务所需资源时，就会发生优先权反转，低优先权的任务会提前执行。

四、Java并发API（详细）

java包含了丰富的并发API，在并发程序设计时候可以灵活使用。

1、基本并发类

1. Thread类：描述了执行并发Java应用程序的所有线程。
2. Runnable接口：Java中创建并发程序的另一种方式。
3. ThreadLocal类：用于存放从属于某个线程的变量。（没有同步机制时使用）
4. ThreadFactory接口：实现Factory设计模式的基类，用以创建定制线程。

2、同步机制

Java并发的同步机制支持定义访问某个共享资源的临界段；在某一共同点上同步不同的任务。

1. sychronized关键字：可以在一个代码块或完整方法中定义一个临界段。
2. Lock接口：提供更丰富灵活的同步操作。其中ReentantLock用于实现一个条件关联锁；ReentantRead-WriteLock将读写操作分离；StampedLock包括了控制读/写访问的模式，是Java8新增的特性。

以下几个比较陌生：

1. CountDownLatch类：允许多个任务等待多项操作的结束。
2. CyclicBarrier类：允许多线程在某个共同点上进行同步。
3. Phaser类：允许控制那些被分为多阶段的任务的执行。所有任务在完成当前阶段分任务前，不能进入下个阶段。

3、执行器

1. Executor接口和ExecutorService接口：包括共有的execute方法。
2. ThreadPoolExecutor类：可以定义线程池执行器任务的最大数目。
3. ScheduledThreadPoolExecutor类：一种特殊的执行器，在一段延迟之后执行任务或周期性执行任务。
4. Callable接口：提供返回值的Runnable接口的代替接口。
5. Future接口：包含获取Callable返回值并控制其状态的方法。

4、Fork/Join框架

该框架定义了一种特殊的执行器，尤其针对分治求解问题，提供了一种优化机制，开销小。主要类和接口：

1. ForkJoinPool：实现了用于运行任务的执行器。
2. ForkJoinTask：可以在上述类中执行的任务。
3. ForkJoinWorkerThread：准备在1类中执行任务的线程。

5、并发数据结构

Java中常用的数据结构如：ArrayList、Map、HashMap等都不能在并发程序中使用，因为没有采取同步机制，不是线程安全的。如果自行采用同步机制，程序计算开销增大。

因此，Java提供了并发程序中特殊的数据结构，属于线程安全，主要有两个类别：

1. 阻塞型数据结构：包含了阻塞调用任务的方法，比如当获取值时候该数据结果为空。
2. 非阻塞型数据结构：操作可以立即进行，不会阻塞调用任务。

常用的并发数据结构（线程安全）：

1. ConcurrentHashMap：非阻塞哈希表（关键字Concurrent开头的其他数据结构）
2. ConcurrentLinkedDeque：非阻塞型列表
3. LinkedBlockQueue：阻塞型队列
4. CopyOnWriteArrayList：读读共享、写写互斥、读写互斥。

• 实现了List接口
• 内部持有一个ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
• 底层是用volatile transient声明的数组 array
• 读写分离，写时复制出一个新的数组，完成插入、修改或者移除操作后将新数组赋值给array

     5.PriorityBlockingQueue：阻塞型队列，基于优先级对元素进行排序。

     6.AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong和AtomicReference：基本Java数据类型的原子实现。（可使用原子变量代替同步）

五、并发设计模式

1、信号模型

实现该模式课采用信号量或者互斥，Java中的ReentrantLock或Semaphore，或者Object类的wait和notify方法。

public void task1(){
    section1();
    commonObject.notify();
}

public void task2(){
    commonObject.wait();
    section2();
}

section2方法总是在section1之后执行。 

2、会合模式

信号模式的推广，第一个任务将等待第二个任务某个活动的完成，而第二个任务也在等待第一个任务某个活动的完成，区别在于使用到两个对象。

public void task1(){
    section1_1();
    commonObject1.notify();
    commonObject2.wait();
    section1_2();
}

public void task2(){
    section2_1();
    commonObject2.notify();
    commonObject1.wait();
    section2_2();
}

其中的语句顺序不能修改，否则可能出现死锁。

 section2_2总是在section1_1后执行， section1_2总是在section2_1后执行.

3、互斥模式

互斥机制用以实现临界段，确保操作相互排斥。

public void task1() {
    preSection();
    try {
        lockObject.lock();//临界段开始
        section();
    }catch (Exception e){
        ……
    }finally {
        lockObject.unlock();//临界段结束
        postSection();
    }
}

4、读写锁模式

该模式定义了一种特殊的锁，包含两个内部锁：一个用于读操作，一个用于写操作。

锁的特点：读读共享、写写互斥、读写互斥。

Java并发API的ReentrantReadWriteLock类实现了这种模式

5、线程池模式

该模式应用广泛，减少了每次为每个任务创建线程的开销，它是由一个线程集合和一个待执行任务队列构成。ExceutorService接口可以实现该模式。

6、线程局部存储模式

Java中的ThreadLocal类实现了线程局部变量，可以使用线程局部存储，每个线程会访问该变量不同实例。

六、最后总结

并发算法设计遵循：

1、使用线程安全的Java并发API

2、在静态类和共享场合使用局部线程变量

3、避免死锁：对锁排序

4、使用原子变量

 

这一篇我记录了学习并发设计原理的关键知识，还有一些常用重要的Java并发编程API，在学习理论知识后，对这个部分有了更深层的理解，如果能够加上实践项目或者具体地案例分析，才能算真正掌握。因此，我也找了比较实际的案例进行实践——文件搜索，将在下一篇的博客进行详细记录，希望理论+实践结合，知识的理解更进一步！

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